摘要：本文描述的是一种便携式的心肺复苏系统，该系统以美国Cygnal公司的C8051F020单片机为控制核心。在文中详细介绍了系统的机械组成和工作原理，并对单片机系统硬件结构、主要电路以及软件设计作了具体说明。
关键词：单片机 心肺复苏 C8051F020

1 引言
    众所周知，在几分钟内及时抢救危重急症、意外伤害导致的突发濒死病人，具有重要意义。采用传统的人工呼吸和胸外按压方法，常常由于按压部位不准、用力方法不对、按压深度掌握不好、按压频率不规律等因素，难以达到理想的效果，甚至造成骨折、气胸、血胸等严重的并发症，同时口对口进行人工呼吸也有可能在病人与救护者间传染疾病。因此，有必要研制抢救迅速、定位准确、按压适度的便携式智能型心肺复苏机。其及时性和准确性可以显著提高救治效果，较好地解决徒手心肺复苏存在的问题。目前国内应用最为广泛的是美国Michigan Instruments 公司的“萨勃”心肺复苏机，国内市场仍然没有国产的便携式心肺复苏机。本文介绍的就是一种以Cygnal单片机为控制核心的便携式智能心肺复苏系统。[1-4]

2单片机心肺复苏系统的组成
    系统的结构图为：
 

    图中1为通气导管，2开启阀，3储气瓶，4调压阀，5电磁阀，6压力传感器，7单片机控制器，8电磁阀,  9气缸，10活塞，11弹簧，12压头，13电磁阀，14电磁阀。
     系统工作流程如下：
    1、 通过触摸屏，设定单片机参数：按压压力、按压频率；
    2、 开启阀2打开，储气瓶3充气；
    3、 调压阀4、电磁阀5打开，气缸9开始充气按压；
    4、 压力传感器6检测气缸压力到否？不到，则继续充气；
    5、 压力传感器6检测气缸压力达到预设时，电磁阀5关闭，电磁阀8打开；
    6、 气缸9排气，然后转步骤3循环；
    为达到便携的目的,系统采用高压氧气作为动力。采用双气缸，一个为储气瓶，另一个气缸里装有活塞，通过气体推动活塞来按压胸部。由于活塞下装有弹簧，所以按压深度和按压压力相适应，深度越深，压力越大。气缸内压力达到预设时，打开电磁阀排气，由此可控制按压的压力大小。调压阀由步进电机控制其动作，可调节给气缸充气的气体压力，经调压阀减压后气体的压力大，则装有活塞的气缸充气快，反之则慢。由此可控制按压的频率。气缸在50mm的位移处有一档板，阻止活塞下移，从而使气缸壁分担一部分力。按压最大深度为50mm，可有效防止按压深度过深，造成肋骨骨折。
    通过电磁阀8排出去的氧气，根据5：1的按压呼吸比[5]，通过打开和关闭电磁阀13和电磁阀14的时间来控制。电磁阀13的打开，电磁阀14的关闭，气管给人通气，其潮气量可用外接气囊来控制。电磁阀13的关闭，电磁阀14的打开时，氧气排放出至大气中。

3单片机控制系统的硬件设计
    本系统拟采用美国CYGNAL公司的C8051F020单片机(详情可访问http://www.xhl.com.cn网站)为控制核心，外接MPM480压阻式压力变送器、ULN2803步进电机驱动芯片、AT45DB081B Flash存储器、SED1330液晶显示模块和ADS7843触摸屏驱动芯片。C8051F020单片机是集成在1块芯片上的混合信号系统级单片机。片内集成了数据采集与控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件，主要包括:逐次逼近型12位ADC和8位ADC各一个,可满足压力传感器输入要求；两个12位DAC；SMBus/I2C接口;UART接口，可满足单片机与电脑通信要求；SPI接口，可满足单片机与存储器AT45DB081B通信要求；可编程计数器/定时器阵列、定时器、64个I/O端口（P0-P7）、看门狗定时器和时钟振荡器等，且该单片机内部具有JTAG和调试电路，通过JTAG接口可以对单片机进行非侵入、全速及在系统调试。[6，7]
    ADS7843是美国TI公司推出的一款四线制电阻式触摸屏控制器，操作简单，精度高，当触摸屏被按下时（即有触摸事件发生）则ADS7843向MCU发中断请求，MCU接到请求后，应延时一下再响应其请求，目的是为了消除抖动使得采样更准确。ADS7843是一种典型的带有连续逼近型寄存器的A/D转换器，内部自带2.5V参考电压，一个和微处理器相连的SPI接口，同时具有测量温度、触摸压力和电池电压的功能，有可编程 的8位或12位两种模式。在2.7V电压和125kHz的转换速率下，功耗仅为750uW，在 power down 模式下仅为0.5uW。为了完成一次电极电压切换和A/D转换，需要先通过串口往ADS7843发送控制字，转换完成后再通过串口读出电压转换值。在实际应用中，由于ADS7843转换结果为二进制格式，需经过相关公式进行计算后，才能得到与液晶屏相对应的坐标值。根据触摸点的坐标得到触摸项的编号，进而转入相应的中断服务程序。
    SED1330是日本SEIKO EPSON公司出品的液晶显示控制芯片。SED1330 控制器在同类产品中功能最强，具有如下几个特点：
    (1) 具有文本、图形、文本与图形联合等三种显示方式；
    (2) 具有垂直、水平滚动功能；
    (3) 图形方式下具有三重屏幕显示；
    (4) 最大可控制640 ×256 点阵；
    (5) 内有含160 个5 ×7 点阵字符的字符发生器；
    (6) 与80 及68 系列MCU 可直接相接；
    (7) 低功耗———工作电流5mA , 休眠电流0. 05μA (VDD = 5V) 。
    SED1330的硬件部分由MCU接口单元、内部控制单元、驱动单元等组成。接口单元具有功能较强的I/O缓冲器，体现在两个方面：1. MCU访问SED1330不须判断其"忙"状态，SED1330随时准备接受MCU的访问，并在内部时序下及时把MCU发来的指令、数据传输就位。2. SED1330在接口单元设置了适配8080系列和M6800系列MCU的操作时序电路，通过引脚的电平设置，可二者选择其一。控制部分是SED1330 的核心，它包括振荡器、功能逻辑电路、显示RAM 管理电路、字符库及其管理电路以及产生驱动时序的时序发生器等。振荡器工作频率可在1～10MHz 范围内选择。SED1330 能在很高的工作频率下迅速地解译MCU 发来的指令代码, 将参数置入相应的寄存器内, 并触发相应的逻辑功能电路运行。控制器可以管理64K 显示RAM ,管理内藏的字符发生器及外扩的字符发生器CGRAM或EXCGROM 。SED1330 的驱动部分具有各显示区的合成显示能力、传输数据的组织功能及产生液晶显示模块所需的时序。SED1330 向液晶显示模块传输数据的方式为四位并行方式。 [8]ULN2803、AT45DB081B等芯片的特性和使用方法有很多相关介绍，在此不作说明。单片机系统的具体结构见图2、图3。    
 

 
图3 单片机系统结构部分电路图

4系统供电
    整个系统采用12V电池组供电，经升压电路得到24V电压给压力传感器供电。经降压得到5V电压给各个驱动芯片供电。单片机采用AS11173.3V/800mA电源供电。压力传感器输出为4－20mA电流，不能直接和单片机相连，须经转换电路后再输入单片机。电磁阀只需提供一个很短时间的脉冲电平即可，由ULN2803驱动芯片控制，采用12V DC供电。[9]

5软件设计
    系统程序用C51和汇编编写，采用模块化结构，包括主程序、中断服务程序和子程序。主程序流程图见图5。在系统初始化过程中，首先允许看门狗定时器，以便程序发生“飞逸”时，及时进入复位状态。其次初始化外部时钟振荡器，在本系统中，考虑到要与电脑进行串行通信，外接了PCF8563时钟芯片，时钟源可在外部时钟源和C8051F020内部时钟源之间切换。然后通过设置交叉开关控制寄存器将计时数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入以及微控制器内部的其他数字资源配置到端口I/O引脚，详细配置方法可见参考文献[06] 和[07]。然后C8051F020根据输入的参数打开调压阀，启动步进电机，查询参数表，确定转动步数，开始给气缸加压，在加压过程中，检测压力传感器，查表判断是否达到预定压力。达到后，控制相关电磁阀的开和关，最后重复循环。中断服务程序主要有触摸屏输入中断和压力传感器输入中断等。子程序包括：步进电机控制程序、电磁阀的开关程序、数据的存取程序。系统的主程序流程如图4。
 
图4 主程序流程图

6 结论
    在试验过程中表明，该系统可达到以下技术要求a．按压频率：60-100次/min，可调；b．按压压力：35-45kg，可调；c．按压深度：2-6cm，可调。基本可满足实际使用要求。

参考文献
[01] 李长林 XF一3型心肺复苏机临床效果观察［R］《山西临床医药杂志》2000,9(11).-851-852
[02] 闫有润 智能型心肺复苏机［R］《焦作矿业学院学报》 1995,14(3).-31-33
[03] 陶一江 陈建荣 等 冲压式心肺复苏机在9例心肺复苏抢救中的应用 ［R］     《中国危重病急救医学》2001,13(3).-176-176
[04] 王子秀 杨晓明 使用THUMPER心肺复苏机的体会［R］《中国急救医学》2002,22(8).-449-449
[05] Michigan Instruments Mechanical CPR FAQ’s  
［EB/OL］ http://www.michiganinstruments.com  August 10, 2004
[06] 潘琢金 孙德龙 夏秀峰  《8051F单片机应用解析》［M］北京市海淀区学院路37号 北京航空航天大学出版社，2002年
[07] 李刚 林凌 《与8051兼容的高性能、高速单片机——C8051FXXX.》［M］北京市海淀区学院路37号 北京航空航天大学出版社，2002年
[08] 杜忠良 高旭光 液晶显示控制器SED1330 的特性与应用 ［J］《电测与仪表》 1999,36(4).-50-54
[09] LM2576/LM2577HV Series Switcher 3A Step-Down Voltage Regulator［P］
1996 National Semiconductor Corporation Data book