【正文】 基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+ ）時鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。有的使用一個晶體振蕩器（ 32768Hz ） , 有的使用兩個晶體振蕩器）。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運行時打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（ AM ）和五種低功耗模式（ LPM0~LPM4 ）。在等待方式下，耗電為 ，在節(jié)電方式下，最低可達 。系統(tǒng)工作穩(wěn)定 上電復(fù)位后，首先由 DCOCLK 啟動 CPU ，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做 CPU 時鐘 MCLK 時發(fā)生故障， DCO 會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。豐富的片上外圍模塊 MSP430 系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（ WDT ）、模擬比較器 A 、定時器 A （ Timer_A ）、定時器 B （ Timer_B ）、串口 0 、 1 （ USART0 、 1 ）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、 10 位 /12 位 ADC 、 I 2 C 總線直接數(shù)據(jù)存取（ DMA ）、端口 O （ P0 ）、端口 1~6 （ P1~P6 ）、基本定時器（ Basic Timer ）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復(fù)位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設(shè)計出 A/D 轉(zhuǎn)換器； 16 位定時器（ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕獲 / 比較功能，大量的捕獲 / 比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，最多達 6*8 條 I/O 口線； P0 、 P1 、 P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動液晶多達 160 段；實現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件 I 2 C 串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（ DMA ）模塊。 MSP430 系列單片機的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。方便高效的開發(fā)環(huán)境 目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后在燒寫或掩膜芯片；對于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因為器件片內(nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計者調(diào)試使用的方法進行開發(fā)。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言。MSP430 單片機目前主要以 FLASH 型為主。 MSP430F247含有256B的片內(nèi)和32K的片外flash存儲器，4KB的RAM滿足程序的設(shè)計要求。下面選擇MSP430F247的重要模塊進行介紹: 低功耗：CPU內(nèi)狀態(tài)寄存器SR中的SCGSCGOscOff和CPUOff是重要的低功耗控制位。只要任意中斷被響應(yīng)，上述控制位就被壓入堆棧保存，中斷處理以后，又可恢復(fù)以前的工作方式。在中斷子程序執(zhí)行期間，通過間接訪問堆棧數(shù)據(jù)，可以操作這些位；這樣允許程序在中斷返回后，以另一種功耗方式繼續(xù)運行。 各控制位的作用如下：SCG1： 復(fù)位，使能SMCLK；置位，禁止SMCLK。 SCG0： 復(fù)位，激活直流發(fā)生器，只有SCG0置位，并且DCOCLK沒有被用作MCLK或SMCLK時，直流發(fā)生器才能被禁止。 OSCOFF：復(fù)位，激活LFXT1，只有當(dāng)OSCOFF被置位并且LFXT1CLK不用于MCLK或SMCLK時，F(xiàn)LXT1才能被禁止；當(dāng)使用晶體振蕩器關(guān)閉選項OSCOFF時，需要考慮晶體振蕩器的啟動設(shè)置時間 CPUOFF：復(fù)位，激活MCLK；置位，關(guān)閉MCLK。控制位SCGSCG0、CPUOFF、。表 低功耗模式 工作模式 控制位 CPU狀態(tài)、振蕩器及時鐘 AM SCG1=0 SCG0=0 CPUOFF=0 OSCOFF=0 CPU活動 MCLK活動SMCLK活動，ACLK活動 LPM0 SCG1=0 SCG0=0 OSCOFF=0 CPUOFF=1CPU禁止 MCLK禁止 SMCLK活動 ACLK活動 LPM1 SCG1=0 SCG0=1OSCOFF=0 CPUOFF=1 CPU禁止 MCLK禁止直流發(fā)生器禁SMCLK活動 ，ACLK活動 LPM2 SCG1=1 SCG0=0 OSCOFF=0 CPUOFF=1 CPU禁止 如果DCO未被用作MCLK或SMCLK，自動禁止 MCLK禁止 SMCLK禁止 ACLK活動 LPM3SCG1=1SCG0=1 OSCOFF=0CPUOFF=1 CPU禁止 DCO被禁止，直流發(fā)生器被禁止MCLK禁止；SMCLK禁止 ACLK活動 LPM4 SCG1=1 SCG0=1 OSCOFF=1 CPUOFF=1 CPU禁止 DCO被禁止，直流發(fā)生器被禁止 MCLK禁止 SMCLK禁止 ，ACLK活動定時器定時器A大致可分為四個功能模塊：計數(shù)器、比較/捕獲寄存器0、比較/捕獲寄存器比較/捕獲寄存器2。計數(shù)器是主體它是一個開啟和關(guān)閉的定時器，如果開啟它就是一直在循環(huán)計數(shù)，只會有一個溢出中斷，也就是當(dāng)計數(shù)由0xffff到0時會產(chǎn)生一個中斷。那實現(xiàn)定時功能就要靠三個比較/捕獲寄存器了以后用CCRx表示。CCR0比較特殊，通過他可以改變計數(shù)器的最大計數(shù)值，也就是當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到CCR0的值時自動會將計數(shù)器清零。但這需要設(shè)置相應(yīng)的工作模式，模式列表如下：0——停止模式，用于定時器的暫停1——增計數(shù)模式，計數(shù)器計數(shù)到CCR0，再清零計數(shù)2——連續(xù)計數(shù)模式，計數(shù)器增計數(shù)到0xffff，再清零計數(shù)3——增/減計數(shù)模式，增計數(shù)到CCR0，再減計數(shù)到0當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到CCR0時，CCR0單元會產(chǎn)生一個中斷。同樣當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到CCR1和CCR2時，兩個單元也都會個產(chǎn)生一個中斷。這樣我們可以通過定時器A得到三個定時時間了?？闯绦蛑械亩〞r器初始化模塊。CCTLx是相應(yīng)比較/捕獲寄存器的控制寄存器。它可對比較/捕獲寄存器進行設(shè)置，在這里只用到比較功能，也就是當(dāng)計數(shù)到CCRx時產(chǎn)生中斷，由于CCTLx默認的是比較功能，所以一般也就只用到CCIE這個控制字，就是開啟相應(yīng)比較器的中斷。CCRx就是相應(yīng)比較器的值。如此可用定時器控制血氧采集頻率。圖312 MSP430F247與外圍設(shè)備連接圖如圖中所示P1口作為液晶數(shù)據(jù)輸出口，、。、。 基于DS的脈搏血氧儀的數(shù)字化測量方法 雙波長頻分測量法及信號的數(shù)字解調(diào) 本系統(tǒng)采用頻分測量法作為系統(tǒng)的測量方案，即通過單片機控制口線發(fā)出不同頻率的脈沖序列驅(qū)動紅光和紅外光發(fā)光二極管按照該頻率發(fā)光，在相同的時間內(nèi)以不同頻率的雙路脈沖調(diào)制光對脈搏波進行調(diào)制，調(diào)制后的攜帶兩路不同信息的信號作為一路信號被進行采樣，然后由單片機通過數(shù)字解調(diào)的方式將兩路光的信息分離開來。這種方法省去了傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)中雙光束分離的復(fù)雜模擬電路，并且避免了雙路信號分別放大濾波引起的測量誤差。在模數(shù)轉(zhuǎn)換時不需要采用雙通道分別采樣，而是采用單通道采樣，因此通道一致性好。并且由于雙路光信號同時調(diào)制，使出射光強成為兩路光信號的疊加，從而增加了光強提高了信噪比。這種方法還消除了背景光的影響。圖313 發(fā)光二極管的發(fā)光時序圖 ，脈沖信號是占空比為1:1的方波。紅光和紅外光發(fā)光的時序如圖38所示。本系統(tǒng)采用的對兩路光信號分離的解調(diào)方法。如圖38所示，取紅外光發(fā)光管和紅光發(fā)光管同為亮的位置為起始點，則在紅光發(fā)光時序圖中的一個周期方波脈沖相當(dāng)于紅外光兩個周期方波脈沖。為了方便分析，假定我們?nèi)∫欢螖?shù)據(jù)進行處理，將紅光發(fā)光時序中的一個周期方波脈沖作為一個周期T，將數(shù)據(jù)按照周期T分為N個序列，則數(shù)據(jù)以周期T分割后的序號為1，2，…，n，…，N，那么n則代表該數(shù)據(jù)段中的第n個周期。每個周期T內(nèi)又分為四個時區(qū)，從圖38中可以看出，第一個時區(qū)內(nèi)紅光發(fā)光管和紅外光發(fā)光管同時被點亮，第二個時區(qū)內(nèi)只有紅光發(fā)光管亮，第三個時區(qū)內(nèi)只有紅外光發(fā)光管亮，第四個時區(qū)內(nèi)兩路光均不發(fā)光。各周期內(nèi)的四個時區(qū)所對應(yīng)的光強值分別用函數(shù)來表示，n代表序列中的第n個周期。，對于脈搏波信號來說只會發(fā)生極其微小的變化，那么在同一周期內(nèi)的四個時區(qū)內(nèi)的采樣信號可視為不變的直流量，因此我們可將第n個周期內(nèi)的四個時區(qū)內(nèi)所包含的紅光部分對雙路信號疊加后總光強的貢獻表示為，紅外光部分的貢獻表示為，背景光也就是檢測中的干擾光的貢獻表示為。則第n個周期內(nèi)的四個時區(qū)所對應(yīng)的光強分別表示為：設(shè)經(jīng)解調(diào)和雙光束分離算法后在第n個周期內(nèi)所得到的由紅外光照射引起的變化信號的采樣值分為表示為和，紅光采樣值表示為和，則 ：在第n個周期中，四個時區(qū)內(nèi)采樣得到的信號分別由于在非常短的時間內(nèi)采樣信號可看作不變的直流量，則所得到的數(shù)據(jù)是消除了紅光和背景光部分的貢獻，得到的僅僅是由紅外光照射后所得到的采樣點，而所得到的數(shù)據(jù)是消除了紅外光和背景光部分的貢獻，得到的僅由紅光引起的變化量。通過對每個紅光驅(qū)動脈沖周期內(nèi)的數(shù)據(jù)做上面的處理后即可得到兩路光的數(shù)據(jù)序列。解調(diào)后的紅外光信號采樣點序列為：紅光信號采樣點序列為：其中N代表數(shù)據(jù)以周期T為單位被劃分為N個周期，n代表第n個周期。 如此用不同頻率的雙路檢測光同時照射被測組織，利用數(shù)字解調(diào)的方法將采樣的數(shù)字信號解調(diào)為雙路光信號，這樣就能最大程度的除去了環(huán)境光的干擾。不僅簡化了復(fù)雜的雙光束分離的硬件電路，同時也提高了信噪比。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 本課題采用了適用于MSP430系列單片機的IAR Embedded Workbench目標系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境。其中內(nèi)嵌著C語言和匯編語言的調(diào)試器C一SPY。軟件系統(tǒng)章節(jié)中，將對此開發(fā)環(huán)境給予簡單介紹，并論述血氧模塊軟件系統(tǒng)及其子模塊的程序結(jié)構(gòu)。 Embedded Workbench開發(fā)平臺和調(diào)試器CSPY的簡單介紹Embedded Workbench是由IAR公司開發(fā)的一個使用于各種不同CPU的目標系統(tǒng)開發(fā)的集成環(huán)境。它提供了方便且功能豐富的窗口界面，使得開發(fā)和調(diào)試的效率大大提高。其中包括了如下使用工具:具有語法表現(xiàn)能力的文本編輯器。編譯器。連接器。函數(shù)庫管理器。實現(xiàn)操作自動化的Make工具。內(nèi)嵌C語言級和匯編級的調(diào)試器CSPY。其中CSPY是一個針對嵌入式應(yīng)用程序的，功能強大的高級語言交互式調(diào)試器，它是一個獨立的軟件，但可以集成在Workbench環(huán)境下運行，實現(xiàn)C代碼或匯編代碼的執(zhí)行和調(diào)試。IAR在設(shè)計CSPY四時，是按照它將與C編譯器、匯編器、XLINK連接器及XLIB庫管理器等一起工作的情況來考慮的。不論是在C語言環(huán)境下，還是在匯編語言環(huán)境下進行調(diào)試，用戶都可以根據(jù)程序需要在兩種工作環(huán)境下進行相互切換。圖41 系統(tǒng)的IAR開發(fā)環(huán)境 初始化程序定時器設(shè)置： 。定時器A的位數(shù)可編程。包含計數(shù)，比較捕獲和輸出方式單元三大模塊，各對應(yīng)相應(yīng)的控制和計數(shù)寄存器。輸出為模式3：增減計數(shù)模式。此時捕獲/比較寄存器CCR0用作Timer_A增計數(shù)模式的周期寄存器，因為CCR0為16位寄存器。其值設(shè)置為200,計數(shù)器TAR可以增計數(shù)到CCR0的值，當(dāng)計數(shù)值與CCR0的值相等(或定時器值大于CCR0的值)時，定時器復(fù)位并從0開始重新計數(shù)。CCR3設(shè)置為100，即得5000HZ，占空比為50%的PWM波。void InitTimerA(void){ TACTL = TASSEL1 + TACLR + ID_3。 // SMCLK, 清除Tar TACCR0 = 200。 // 200/1M= 5000HZ TACCTL2 = OUTMOD_2。 // CCR2 PWM toggle/reset TACCR2 = 100。 // CCR2 PWM duty cycle TACTL |= MC1+MC0。// // 增減技術(shù)模式}，即使血氧的采集頻率為120HZ。我們設(shè)置定時器B工作在增計數(shù)模式，給CCR0賦值為33333即為33333/8M=。串口設(shè)置： ，采用8位數(shù)據(jù)位加一個停止位，并采用奇校驗方式。波特率設(shè)置為11520bps。void InitUSART1(void){ UCA1CTL0 = 0x00。 //8位數(shù)據(jù)位+1位停止位，奇校驗 UCA1CTL1 |= UCSSEL1。 //選定SMCLK(8MHz晶振) UCA1BR0 = 0x45。 //8E 00 0E 57600 UCA1BR1 = 0x00。 //45 00 08 115200 UCA1MCTL = 0X08。 //115200bpm UCA1CTL1 amp。=~ UCSWRS