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1、基于单片机的电子血压计设计基于单片机的电子血压计设计 摘 要 现代社会的迅速发展，导致环境日益恶化，不健康的生活习性与不科学的饮食习惯，导致人类疾病越来越多的出现。其中，有着人类第一无形杀手称号的高血压病，已逐渐上升到人类疾病危害排行榜的前几名，长期危害着人体健康，让饱受高血压折磨的患者痛不欲生。如何便捷有效地测量与监控高血压，从而有效预防与治疗高血压，成为人们对抗高血压病的首要问题。于是，设计一台便捷的测量血压的装置，成为重中之重。 目前市场上的大部分动态血压记录仪，只记录每次测量的结果，医生面对的是一批真伪难辩的数字，无法判别血压计的准确性、可靠性。本课题研究最终旨在设计出全信息的动态血压
2、记录仪，使每次测量结果完全透明，使医生可以对照原始波形判断数据的真伪，有效甄别出干扰和伪差引起的错误检测，恢复真实血压，保证血压报告的有效性和可靠性。 家用电子血压计，主要是用于家庭。家庭医疗保健已成为现代人的医疗保健时尚。过去人们测量血压必须到医院才行，而今只要拥有了家用电子血压计，坐在家里便可随时监测血压的变化，如发现血压异常便可及时去医院治疗，起到了预防脑出血、心功能衰竭等疾病猝发的作用。本文将详细介绍便携式血压测量装置的设计。 关 键 词：ASDX 001，AT89C51，液晶显示，压力测量 1 THE DESIGN OF PORTABLE BLOOD PRESSURE MONITOR
3、 ABSRACT The rapid development of modern society, leading to deteriorating environment, unhealthy living habits and unscientific eating habits, leading to the emergence of an increasing number of human diseases. Which has one invisible killers of the human hypertension, and has gradually risen to th
4、e top ranks of human disease, a long-term hazard to human health, so that patients suffering from hypertension pain. How convenient and effective measurement and monitoring hypertension, and thus effective prevention and treatment of hypertension, a confrontation hypertension is the most important i
5、ssue. Therefore, design a convenient measurement of blood pressure devices, has become a priority. This article will detail the design of our intelligent blood pressure measuring devices. Currently on the market most of the ambulatory blood pressure recording devices only records the results of each
6、 measurement, the doctor faced with a group of authenticity Nanbian figures. This study is designed eventually to full information, ambulatory blood pressure recorder, so that each measurement is entirely transparent, real-time analysis combined with retrospective analysis, so that doctors can contr
7、ol the data to judge the authenticity of the original waveform, effectively screening out interference and artifact caused The error detection, recovery true blood pressure, blood pressure reports to ensure the validity and reliability. Home Blood Pressure Monitor, mainly for home. Home health care
8、has become a fashionable modern health care. Measuring blood pressure in the past people have to go to the hospital for the job now as long as the electronic blood pressure monitor has a home, sit at home monitoring of blood pressure can be at 2 any time, such as abnormal blood pressure can be found
9、 in time to the hospital for treatment, prevention plays a cerebral hemorrhage, heart failure The role of diseases such as burst. Keyword: ASDX 001，AT89C51，liquid crystal show that the module，Pressure measurements 3 目 录 前言 . 6 第一章 便携式血压计装置总体概述 . 8 1.1 便携式血压计简介. 8 1.1.1 便携式血压计的介绍 . 8 1.1.2 便携式血压计功能简介
10、 . 8 1.1.3 便携式血压计使用注意事项7 . 8 1.2 血压计装置设计方案 . 11 1.2.1 设计总体要求 . 11 1.2.2 具体设计方案 . 11 1.3 便携式血压计工作原理 . 13 1.3.1 血压测量的工作原理 . 13 1.3.2 便携式血压计的工作原理 . 14 第三章 硬件电路的设计 . 14 3.1 传感器简介以及电路设计 . 14 3.1.1 传感器简介11 . 14 3.1.2 传感器电路设计 . 16 3.2 AT89C51单片机的简介及其电路设计 . 17 3.2.1 AT89C51简介 . 17 3.2.2 主要性能参数 . 17 3.3 单片机电
11、路设计 . 20 3.3.1 AT89C51的复位电路： . 20 3.3.2 AT89C51的时钟电路： . 20 3.3.3 AT89C51与液晶显示模块的电路连接 . 21 3.4 液晶显示模块简介及电路设计 . 21 3.4.1 液晶显示模块DM-1602简介 . 21 3.4.2 液晶显示模块DM-1602电路设计 . 24 3.5 其他电路设计 . 25 4 3.5.1低通滤波电路 . 25 3.5.2 电源电路 . 26 3.5.3 线性阀PWM控制电路 . 26 3.5.3 充气PUMP控制电路 . 27 3.5.4 按键电路 . 28 第四章 软件系统流程以及程序的设计 .
12、29 4.1 单片机主程序流程图 . 29 4.2 处理模块 . 29 4.3测量模块 . 30 4.4 信号处理模块. 30 4.5 显示模块 . 31 4.7 电源处理模块. 32 结论 . 33 参考文献 . 34 致谢 . 35 附录 . 36 附录A 子程序流程图 . 36 附录B 部分参考程序 . 38 附录C 元件清单 . 40 附录D 主电路图： . 42 5 前言 在现代疾病谱上，高血压的危害无疑高居前几位。对于上了年纪的人，血压是一个重要的健康信号。随着生活水平的提高，时下老年人对自己的血压越来越关注。高血压是世界最常见的心血管疾病，也是最大的流行病之一，它的危害非常的巨大
13、，据有关统计资料显示，我国现有的高血压患者已达一亿，并且每年新增人数在300万以上。从高血压目前的危害来看，高血压病已成为人类的头号隐形杀手病。高血压病不但是长期危害人体健康的一种慢性病，而且它还是脑中风、冠心病、心肌梗死、心力衰竭、肾衰等疾病的祸首，因此被人们称为“无形杀手”。 治疗高血压病，首先是要测量准确的血压。测量血压的仪器称为血压计。血压计可分为直接式和间接式两种。两种血压计的工作原理是不相同的，直接式是用压力传感器直接测量压力变化；间接式的工作原理则是控制从外部施加到被测部位上的压强，并将控制的结果与其相关的柯氏音的产生和消失的信息加以判断。前者不管对动脉或静脉都可连续测试，而后者
14、只能测量动脉的收缩压和舒张压。 传统的血压计是模拟的血压计。此类血压计操作比较复杂，测量精度不够，而且受环境影响较大。为了让广大血压计使用者更方便的使用与维护血压计，也让更多的人学会使用血压计进行简单的血压测量，设计出一台操作便捷，测量精确，无需维护的智能型测量血压的装置，以帮助人们对抗高血压。 本论文也具有比较重要的现实意义。目前，市场上的使用的血压计大部分仍是水银血压计，也有一些动态血压记录仪。水银血压计每次测量必须由医生戴上听诊器进行测量，测量过程复杂；而且对不同的医生，测量结果可能不同：对同一个人来说，影响血压因素非常多，由于每次测量的时间不可能很长，测得结果在某些情况就不能真实的反映
15、被测对象的血压值。在动态血压检测中干扰和伪差是不可避免的。目前市场上的大部分动态血压记录仪，只记录每次测量的结果，医生面对的是一批真伪难辩的数字。本课题研究最终旨在设计出全信息的动态血压记录仪，使每次测量结果完全透明，实6 时分析结合回顾分析，使医生可以对照原始波形判断数据的真伪，有效甄别出干扰和伪差引起的误检测，恢复真实血压，保证血压报告的有效性和可靠性。 7 第一章 便携式血压计装置总体概述 1.1 便携式血压计简介 1.1.1 便携式血压计的介绍 该产品重量轻，便携，可放入医生护士口袋。无水银，增强环保性，避免了因水银泄露而造成的污染事故。操作简单易懂，特别适合家庭使用。2 1.1.2
16、便携式血压计功能简介 该血压计以压力传感器测得血压值，再将血压数据通过A/D转换器转换成数字信号，传入单片机，然后由控制核心单片机控制，经主程序处理数据之后，在液晶显示器上把数据显示出来。 1.1.3 便携式血压计使用注意事项 1.袖带位置须与心脏高度保持一致，上臂自然下垂，肘和前臂自然地搭在桌子上，手心向上，不要把整个胳膊平伸在高于心脏位置的桌子上，或用垫子将胳膊垫得过高； 2. 每天要在固定时间和同样状态下，以相同的姿势测量血压； 3. 应该在安静的状态下进行测量，测量前安静休息1020分钟，深呼吸23次； 4. 饭后或运动后至少休息一小时再进行测量； 5. 不要在浴后、吸烟、饮酒、喝咖啡
17、后测血压； 6. 要在没有尿意时测血压 7. 测量时应保持心情舒畅，没有疲劳感，不紧张。 1.1.4血压计的技术指标 在设计和使用一个生物医学仪器系统或进行这种测量时，为了方 便，通常又只简单考虑下列基本要求。 一量程 8 测量仪器的测量范围称为量程。必须使测量仪器的量程适合于被测信号大小的范围。对所有可能的被测变量或参量的整个可能取值范围，仪器应能提供适当的读数或其它显示信号。仪器量程太小，则被测信号将使仪器“超载”而无法测量；仪器量程过大，则因信号过小而增加测量误差。所以，仪器量程必须适当。对于电子血压计来说，合适的量程应该在0300mmHg。 二灵敏度 测量仪器的灵敏度决定被测量多小的一
18、个改变量能够可靠地被测量来。一个仪器的灵敏度越高，它能测出的变化量越小。一个仪器灵敏度的高或低，取决于被测量有一个微小改变时，它是否能可靠地反映出来，而与被测量的绝对大小无关。必须注意，仪器的灵敏度并不是越高越好。对于给定的测量，灵敏度应适当。灵敏度低固然不行，但灵敏度过高将带来非线性或不稳定性。对于电子血压计来说，灵敏度在1刻度/mmHg即可。 三 线性 测量仪器的线性表示在整个测量量程内，输出值是否以相同比例随输入值而变化。在一个线性测量系统内，对所有的输入值不论是在量程的高端、中段还是低端，都具有相同的灵敏度。在直角坐标系内，将测量结果作输出值与输入值的对应关系曲线，得到的是一根直线。除
19、非为了某种特殊的目的，一般情况下，希望整个测量量程内有尽可能大的线性范围。至少在感兴趣或最重要的量程段内测量具有足够好的线性。测量仪器通常给出指定量程范围内的非线性值。例如，非线性5%，表示在指定量程范围内，灵敏度相差小于5。 四频率响应 对不同频率的输入信号，仪器的反应往往不完全相同。有的仪器对较高频率的信号较灵敏，而对较低频率的信号不灵敏；另外一些仪器则相反。测量仪器的频率响应反映对不同频率信号的灵敏度的变化。对不同频率范围的被测生物信息，必须选择适当频率响应的测量仪器。根据不同的频率范围，有所谓的“高频仪器”、“低频仪器”、“宽频带仪器”。如果频率范围不适当，将出现“失真”，测量结果不符
20、合被测信号的真实情况。人体血压波是一个低频信号，因此电子血压计应具有良好的低频响应。 五信噪比 9 测量中总是存在噪声干扰，这种噪声有时使测量无法进行。衡量的标准就是信噪比，即信号与噪声的相对大小比值。尽管仪器灵敏度很高，如果噪声的大小与信号的大小相近，甚至更高，则测量无法进行。显然，信噪比越大越好。 六测量平均值 通常一个被测量的真实值是不知道的，需要我们去测定它。总不可避免地具有误差，误差的根源是多种多样的，可能来自测量仪器的某些缺陷、各种外界因素或者观察者的视察等等。故严格地讲，真实值是无法确切地测得的。我们可以这样来定义实验科学中的真实值：设在测量中观察的次数为无限多，根据误差分布定律
21、，正负误差出现的几率相等，故将各观察值相加，加以平均，可获得极接近于真实值的数值。所以测量次数无限多时求得的平均值可作为科学实验的真实值。当然，平时我们测量的次数都是有限的，求得的只是近似真实值的平均值。常用的平均值有下列几种： 1算术平均值 2均方根平均值 3中位值 4加权平均值 七精确度与准确度 测量的精确度和准确度的意义是不同的。精确度指所测得数值重复性的大小；准确度指所测得的数值与真实值符合的程度。在一组测量值中，尽管精确度很高，但准确度不一定很好；反之，若准确度好，则精确度一定高。因此，测量仪器的校准是一项十分重要的任务，应当定期与相应的国家标准或地方标准进行校准。还应当注意准确度与
22、灵敏度的区别。人们常把灵敏的仪器称为准确的仪器，这是不确切的。在一个灵敏的仪器中，被测量有一个很小的改变就能使指针偏转，但这时仪器的读数可能与该量的真实值相差很大。 八绝对误差与相对误差 测量所得的数值和真实值之间总存在着某一误差，这一误差值称为测量的绝对误差。我们用绝对误差值与整个被测量的值之比来估量的准确度是比 10 较方便的，这个比值称为测量的相对误差。 九重复性 仪器对于在一定时间期限内加上同样的输入信号，能给出同样的输出信号的能力，叫重复性或再现性。重复性不意味着精度。 十 精度 仪器的精度是指其最大误差值，并以该仪器的量程的百分比来表示。按照标准，通常的电气测量仪表依其精度可分为：
23、0.2，0.5，1.0，1.5，2.5等五级。电子血压计的精度一般在1.5级就可以了。 1.2 血压计装置设计方案 1.2.1 设计总体要求 便携式电子血压计是传感技术和微电脑技术的结合体，它的结构应该能保证完成三项基本任务：感应血流的压力；判别高压和低压；在屏幕上显示测量结果。 感受血流压力离不了传感器，民用电子血压计中所应用的压力传感器必须是高性能低成本的，灵敏度要高，测量范围倒不需要很大。在各种传感器中有一类是利用压电效应的，还有一种人工合成的被称为PVDF的压电薄膜，它是柔软的塑料。其次就是能根据血压变动及时抓住高、低压的微处理器。另外，血压会通过电子血压计的液晶显示屏进行显示。 1.
24、2.2 具体设计方案 在这里介绍一下有关血压的基本知识，血压是血液在血管内流动时对血管壁的侧压力。血压分收缩压和舒张压。当心室收缩向动脉泵血时，血压升高，其最高值为收缩压。心室舒张时，血压降低，其最低值为舒张压。血压通常以上肢肪动脉测得的血压为代表，正常成年人上胶动脉的收缩压为90140毫米汞柱，舒张压为6090毫米汞柱。血压过低或过高都是疾病的征象。 血液在动脉血管中的压力随着心脏的收缩、舒张而不断变化，而人的心脏的收缩频率即心率比较低，一般在30300bpm，由此血压脉动镶号是相对而言还是属于一种缓慢变化的信号，我的设计是采用外接式的结构，以89C51单片机为核心，由其内部自带的10位8通
25、道A/D转换模块构成的采11 样模块，该模块的采样数据由单片机串口经电平转换后送到上位机的串口COMI或COMZ，形成种连续数据采集串行数据传输的方式 本设计是基于89C51单片机的设计，具体装置方案如图1-1所示。 恒恒恒LCD恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒89C51恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒图1-1便携式血压计设计方案 系统工作示意图如图 1-2所示。 恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒A/D恒恒N恒恒恒恒恒恒Y恒恒恒恒N恒恒恒恒恒恒恒恒Y恒恒图1-2 血压计系统工作示意图 电源开启过后，若有必要修改系统的默认参数，将由键盘输入或PC机对其进行设置。经过了这个阶段以后，系统将对某些参数和硬件内部的一些寄存器进行
26、初始化工作。初始化完成之后，将启动A/D转换，等待直至A/D转换结束。然后将A/D转换结果送入上位机。待采样的时间达1秒钟后将分 12 析数据结果，求出最大值和最小值，将这些数据处理后即为收缩压和舒张压。将它们送往LED数码管进行显示。 1.3 便携式血压计工作原理 1.3.1 血压测量的工作原理 血压有两种，一是收缩压:是当心脏收缩把血液打到血管所测得的血压，二是舒张压:是心脏在不收缩所得的压力。当袖带的压力等于血压时,血液开始可以流通而产生所谓的袖带声，这时候也就是收缩压，必须开始从这里做记录，直到最后当袖带声没有的时候，此点即为舒张压。 根据气袖在减压过程中，其压力振荡波的振幅变化包络线
27、来判定血压的。目前比较一致的看法是当气袖压力振荡波的振幅最大的时候，气袖的压力是动脉的平均压。动脉的收缩压对应于振幅包络线的第一个拐点，舒张压对应于包络线的第二个拐点。 收缩压判断的确定：通常采用最大的振幅法，即在放气过程中脉搏波振幅度包络线的上升段，当某一个脉搏波的幅度Ui与Um之比Kd时，就认为此时对应的气袖压力为收缩压。 Ps=P|Ui=Ks*Um 舒张压判断的确定：也是用最大的振幅法来判定，不过是在脉搏波振幅包络线的下降段，当某一个脉搏波的幅度Ui与Um之比Kd时，就认为此时对应的气袖压力为舒张压。 Pd=P|Ui=Kd*Um 血压信号以及收缩舒张压的位置如图1-3所示 13 图1-3
28、 血压交直流信号及收缩压和舒张压位置 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。 1.3.2 便携式血压计的工作原理 马达在充气时，袖带内部产生压力，数字压力传感器ASDX 001感应到该压力值，经过放大以及滤波电路后，由单片机89C51的第1脚读入，并进行A/D转换。单片机在程序的控制下，严格按照ASDX 001压力传感器的要求的工作时序进行读写控制，读入信号后，对数字信号进运算，然后经DM-162液晶显示模块进行显示 模拟开
29、关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样/保持和A/D转换电路。采样/保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A/D转换器的转换精度，如果把采样/保持电路放在模拟多路开关之前(每通道一个)，还可实现对瞬时信号进行同时采样。 采样/保持器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化速度不同，系统对分辨力，精度、转换速率及成本的要求也不同，所以A/D转换器的种类较多。 A/D转换的结果要送给计算机。有的则采用并行码输出，有的则采用串行码输出。使用串行输出结果的方式对长距离传输和需要光电隔离的场合较为有利。 第三章 硬件电路的设计 3
30、.1 传感器简介以及电路设计 3.1.1 传感器简介11 ASDX 001属于微型结构压力传感器ASDX DO系列。ASDX系列是Sensym 公司检定合格的ICT 代表产品的一种增强型品种。也是工业水平领先的一种SDX系列传感器增强型。ASDX 001 传感器的外形尺寸要比SDX14 稍大，能提供高电平(4.0 V测量范围)的输出电压，价格便宜。ASDX 001压力传感器内置专用集成电路外部结构： 图2-1 ASDX 001外部结构图 内部结构 ASDX 001的内部结构主要包括4部分，如图2-2所示。 多路分配器；模/数转换器；微控控制；模/数转换器。 15 +Vs恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒恒/
31、恒恒恒恒恒恒恒恒恒/恒恒恒恒C220uF恒恒ASIC图2-2 ASDX 00内部结构图 恒恒3.1.2 传感器电路设计 ASDX 001的外围引脚共有8个，其中5个为空脚。工作电压为正5负。由+Vs脚引入正5负电压，Vout为数据输出脚，将所测量得到的数字电压信号传送到单片机的P1.0脚，ASDX 001的地脚为GND脚，接地。 因此，这个电路连接十分简单，只需要将传感器的输出脚Vout连接到AT89C51单片机的1脚上即可，如图2-3所示。 图2-3 ASDX 001与单片机的连接电路原理图 16 3.2 AT89C51单片机的简介及其电路设计 3.2.1 AT89C51简介 AT89C51
32、是美国ATMEL公司生产的低电压 ，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM )，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机能应用许多高性价比的场合，可灵活应用于各种控制领域。 AT89C51的封装如图2-4所示。 图2-4 AT89C51封装图 3.2.2 主要性能参数 主要特性：811 4K字节可编程闪烁存储器；寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：XX年 全静态工作
33、：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 17 片内振荡器和时钟电路 管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能
34、接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其
35、特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示。 口管脚 P3.0 RXD P3.1 TXD P3.2 /INT0 18 P3.3 /INT1 P3.4 T0 P3.5 T1 P3.6 /WR P3.7 /RD P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时
36、，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储
37、器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时， /EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XT
