基于MSP43F149的醫用分子篩制氧機數據采集系統的設計

摘要:該文介紹了以MSP430F149為核心的醫用分子篩制氧機數據采集系統的設計與實現，具體介紹了系統的工作原理及各功能部分的實現方法。經測試，系統整體工作穩定可靠。

關鍵詞:MSP430F149;分子篩制氧機;數據采集

中圖分類號:TP274 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)11-2763-02

The Design of Data Acquisition System for Medical Molecular Sieve Oxygen Generator Based on MSP430F149

GENG Zheng-bo， TUO Xian-guo， LIU Yi， DENG Han-bin

(Institute of Information Engineering， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China)

Abstract: This paper introduces the implementation of data acquisition system used MSP430F149 as its core for a molecular sieve oxygen generator. The system's work principle and realization be embodied. By test， the system can work reliably and stably.

Key words: MSP430F149; molecular sieve oxygen generator; data acquisition

氧氣是醫院正常運轉過程中必不可少的一個要素。高技術含量的醫用分子篩制氧設備的應用，改變了醫院氧氣由制氧廠提供的傳統模式，醫院可以自己生產氧氣供臨床使用[1]。在制氧機系統中，需要對輸出氧氣的參數(流量、壓力和濃度)信號進行采集，并通過處理作為系統中各電磁閥、壓縮機等工作的基礎。

本文介紹以MSP430F149單片機為核心適用于中小型醫院的醫用制氧機數據采集系統的設計，該系統能很好的完成制氧機系統輸出氧氣參數數據的采集和掉電時數據的存儲。

1 系統的硬件結構及工作原理

該數據采集系統以TI公司的MSP430F149微控制器為核心，包括A/D轉換單元、EEPROM存儲單元、電壓監測、看門狗電路和時鐘電路。在電源電壓穩定的情況下，控制器采集流量、壓力、濃度傳感器傳回的信號，經過A/D轉換和相應的處理來決定系統中電磁閥和壓縮機的啟動與停止，并在本地做出實時顯示。當系統非正常掉電時，電壓監測模塊會及時發出中斷請求，要求控制器將采集到的數據立即存儲至EEPROM，以免發生數據的丟失，當系統再次上電時，控制器讀出EEPROM中的數據。其原理框圖如圖1所示。

1.1 A/D轉換電路

該系統應用MSP430F149內置的高精度A/D轉換器來實現對氧氣流量、壓力和濃度采集信號的轉換。MSP430F149內部ADC12支持12位高速模/數轉換，可以在沒有CPU干預的情況下進行16次單獨采樣并保存結果，它主要由SAR核、采樣時鐘電路、參考電壓發生器、采樣保持電路、采樣時間定時電路、多路信號選擇器、轉換結果存儲器及轉換結果緩沖器組成，采用ADC12可充分利用了MSP430的內部資源，使得外圍元器件很少，有較高的轉換速率，最高可達200Kbps。

系統采用MSP430F149內部2.5V基準電壓源為A/D轉換參考電壓，采用序列通道單次轉換模式實現對采集數據的轉換。氧氣流量、壓力、濃度信號分別連接至A0、A1、A2的輸入端，系統定時50ms采樣一次數據并將其保存在數組中，采樣20次取一次平均值并保存。

1.2 電壓監測、看門狗電路

在包含了控制器的系統中，都有對應的復位電路，這樣能使系統上電后能很好的復位，使其處于穩定的工作狀態，一般簡單的復位電路可以采用RC復位，但是很不穩定，可靠性不高[2]。同時，為防止系統在外界電磁干擾的情況下出現程序運行的“跑飛”現象而引起的程序混亂、輸入輸出不正常，甚至“死機”，提高系統的可靠性，必須對系統采用“看門狗”技術提高其抗干擾能力[3]。MSP430F149內部已集成看門狗電路，可通過軟件寫入相應控制指令來啟動或關閉看門狗功能，但由于它是通過軟件來寫入控制指令，在干擾的情況下，可能無法寫入正確的控制指令，造成單片機內部看門狗的失靈，因此，本系統中采用MAX706專業復位、電壓監測和看門狗芯片，設計出硬件看門狗電路以提高系統的可靠性，同時，它可以提供可靠的上電復位，完成掉電的電壓監測功能。

如圖2所示，該電路的主要功能如下:可對+5V、+3.3V同時進行監視。當+3.3V電源正常時，RST為高電平，單片機正常運行;當+3.3V電源電壓降至+3.08V以下時，RST輸出變為低電平，單片機復位。圖2中PFI的輸入電壓是經R21和R22對+5V分壓所得，R21和R22可根據實際需要和被檢測的電壓值選定。由于PFI的門限電壓為1.25V，因此只要保證在+5V電壓正常時，PFI的輸入電壓略高于1.25V即可。一旦+5V電壓降低，此輸入電壓低于1.25V，PFO由高電平跳變為低電平，引起單片機P1.0口產生中斷，單片機響應中斷，進行必要的操作達到數據保存，提高了系統的穩定性。

同時，WDI連接至單片機的P3.5口，單片機只需要在1.6s內給向P3.5口一個寬度≥50ns的正脈沖，MAX706即可探測到，看門狗定時器被清零時，WDO維持高電平;當程序跑飛或死機時，單片機不能在1.6s內給出“喂狗”信號，WDO立即跳變為低電平，WDO連接至MR，對單片機進行復位。

1.3 系統時鐘電路

為使采集到的數據具有參考性，必須將采集到的數據同當前的時間一起作為存儲和傳輸的內容，本系統采用Philips公司的實時時鐘芯片PCF8563來設計系統時鐘電路，它通過I2C總線接口與MCU連接，MSP430F149通過I/O口來模擬I2C接口與其通信。如圖3所示:為使系統在掉電的情況下時鐘不停止運行，電路中采用備用電池向其供電。當系統正常運行時，系統5V電源通過二極管D61向其供電，當系統掉電時，電池將通過D60向其供電，保持它的正常運行。同時，PCF8563的晶振連接一可調電容，調試過程中，可通過調節可調電容器的容值來調整系統時鐘的準確性。

1.4 EEPROM存儲電路

EEPROM主要用于掉電瞬間的數據存儲，防止非正常停機時控制器采集到的數據和系統運行狀態數據的丟失。同時在系統再次上電后，能夠從存儲器中讀取原始數據以便恢復到掉電前的狀態。存儲器采用M24C04-R，通過SPI接口與MSP430F149連接，供電電壓為1.8V～5.5V的時可正常工作，掉電的瞬間能完成小量數據量數據存儲，起到很好的掉電數據保護作用。其電路原理如圖4所示。

2 軟件實現

本模塊軟件部分包括數據采集程序、時鐘數據讀取、掉電數據存儲三部分。分別實現對ADC的數據采集、時鐘數據的讀取和系統掉電時數據的保護。其程序流程圖如圖5所示。

首先，單片機通過指令初始化ADC12、時鐘芯片和定時器Timer A，然后啟動Timer A，定時器中斷服務程序中啟動A/D轉換。ADC完成轉換后產生中斷，中斷服務程序中讀取轉換數據并判斷是否已經轉換20次，如果轉換次數達到20則求前20次的平均值并讀取當前時間信息保存在內部數組中，當系統掉電時便于存儲。最后程序返回至開啟定時器，進行50ms/次的數據轉換。

3 結論

本次設計的醫用制氧機數據采集模塊以MSP430F149為核心，能很好的完成氧氣流量、壓力、濃度信號的采集，同時，電路采用的掉電保護措施能很好的完成在非正常掉電情況下數據的存儲。經接入制氧機系統測試證明，該模塊工作穩定，抗干擾能力強。

參考文獻:

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