更实用的便携式电子医生系统解决方案

市场需求分析

随着生活水平的不断提高以及城市老龄化比例的提高，人们越来越重视个人的身体健康和医疗保健了，加上近年来国家医改的不断推进，医疗检测设备的家庭化逐渐成为了趋势。
 
然而，目前市面上存在的医疗检测设备价格昂贵，不是一般老百姓的经济条件所能接受的，再则，它们体积庞大，不便携带，因而不利于大众化，家庭化的推广。本设计充分利用Cypress芯片的CapSense触摸传感器技术及其内嵌的高性能MCU特性以及高精度AD和丰富的片内数模混合可编程外设，这样只需辅以少量的外围器件即可实现对人体体温、脉搏、血压高值和血压低值的实时测量和存储。从而，实现了集实用多功能于一体的便携式电子医生设计方案。
 
由以上分析可知，本设计具有巨大的市场需求和发展空间。
 
总体设计方案

本设计总体架构图如下所示：

图1：总体架构图

 
作为主控板的CY8CKIT-003 PSoC 3 FirstTouch Starter Kit开发板提供了丰富的片内外设资源和板载数模混合信号采集传输及通信模块，从而可以在扩展少量外围器件的情况下实现如下功能：
 
脉搏测量功能
血压测量功能
体温测量功能
手表功能
数据传输和数据采集功能
 
通过USB接口或者无线传输方式实现数据到PC机的传输，从而与事先设计的相关数据库进行对比分析，得出对应的医生处方或建议。
 
以上前四项功能的结果均可在功能按键的控制下由LCD显示器直观的显示，实现即时数据采集和显示，预期整个系统最终产品实现操作简单，功能强大实用，人机界面友好。
 
关键模块设计方案

脉搏测量

根据功能模块的划分，其系统硬件结构框图如图2所示，包括以下几部分：①传感器：将脉搏跳动信号转换为与此对应的电脉冲信号。②放大与整形电路：将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。③倍频器：将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将30 s内传感器所获得的信号频率2倍频，即可得到对应1分脉冲数，从而缩短测量时间。④基准时间产生电路：产生短时间的控制信号，以控制测量时间。⑤控制电路：用以保证在基准时间控制下，使2倍频后的脉冲送到计数译码显示电路中。⑥计数译码显示电路：用来读出脉搏数，并以十进制数的形式在LCD上显示出来。
 
上述测量过程中，由于对脉冲进行了2倍频，计时时间也相应缩短了2倍(30 s)，而数码显示的数字却是1分的脉 搏 跳 动 次 数 。 用 这 种 方 案 测 量 的 误 差为±2次/min，测量时间越短，误差也越大。

图2：脉搏测量硬件结构框图

 
血压测量

血压测量模块实现框图如下

图3：血压测量模块实现架框图

 
一次测量血压的过程为：按激活键ADC输出控制气泵充气至200 mmHg高，慢慢以每秒约下降5 mmHg的速度放气。压力传感器输出信号经差分放大器后变单端信号一路送入单片机ADC监视直流分量，另一路送入0.8 Hz二阶高通滤波器滤除直流分量；交流分量经200倍放大后输入38 Hz二阶低通滤波器去除电源及皮肤与袖带摩擦的高频噪声和工频干扰并将此信号维持在0～5 V之问，滤波后的交流分量一路送入血压脉冲触发然后触发单片机ADC工作，另一路送入单片机ADC计算幅值，先找出最大振幅值Amax，在往前找幅值为 0.5Amax的瞬态位置对应血压直流分量即为收缩压，往后找幅值为0.8Amax的瞬态位置对应血压直流分量即为舒张压，将计算出的收缩压和舒张压结果 输出至液晶驱动器显示。血压信号及收缩压和舒张压位置如图4所示。

图4：血压直流信号及收缩压和舒张压位置

体温测量

体温测量利用CY8CKIT-003 PSoC 3 FirstTouch Starter Kit开发板自带的温度传感器和内部ADC电路即可轻松实现。下图为CY8CKIT-003 PSoC 3 FirstTouch Starter Kit开发板温度传感器设计电路图。

图5：PSoC 3开发板板载温度传感器及体温测量电路

 
手表功能
  
由于CY8CKIT-003 PSoC 3 FirstTouch Starter Kit的核心芯片CY8C3866AXI-040没有自带RTC模块电路，所以我们扩展了一片飞利浦的PCF8563实时时钟芯片，其采用I2C总线实现控制和实时时钟数据传输，具有年、月、日、时、分秒、设置和计时功能，可以独立承担手表的全部功能，另外也可方便的利用 CY8C3866AXI-040片上集成I2C总线接口进行数据通信。
 
PCF8563实时时钟电路如下：

图6：PCF8563时钟芯片电路原理图

 
系统软件设计

软件设计是本设计功能实现的关键所在，但是Cypress公司提供了一系列的软件开发工具：

a.  PSoC Creator 1.0
b.  PSoC Programmer 3.10
c.  Keil C51 Compiler (Cypress edition)
d.  GNU GCC Compiler (for PSoC 5 development)
e.  PSoC 3 FirstTouch Starter Kit example projects and documentation
 
方便了我们搭建此设计的软件平台，特别是Cypress公司的PSoC designer 5.0 IDE 集成软件开发环境，可以根据电路自动生成所有片内外设的驱动函数，方便了我们使用者对片内外设的操作和控制。
 
考虑到本设计中的外设模块众多和采用的多种控制算法，使用C语言来进行软件设计，这样编程更加容易一些。整个系统的软件设计流程图如下：

图7：便携式电子医生系统软件流程图

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