心電數字無線遙測系統(tǒng)的研制
[導讀]在該系統(tǒng)中使用了TI公司的單片無線發(fā)送芯片TRF4400和接收芯片TRF6900。
引言
無線遙測產品的市場發(fā)展迅速，最近業(yè)界也掀起了一場無線應用的革命，無線遙測技術已經成為產品競爭力的一個重要因素。從發(fā)展的角度來看，醫(yī)療監(jiān)護產品的無線化、網絡化是發(fā)展趨勢，移動型、具備無線聯網功能的監(jiān)護產品將成為未來市場的主流，另外，TELEMEDICINE（遠程醫(yī)療）的發(fā)展也將使無線監(jiān)護與無線互聯技術大有用武之地。無線應用的前景廣闊，因此研制開發(fā)無線監(jiān)護產品勢在必行。
在該系統(tǒng)中使用了TI公司的單片無線發(fā)送芯片TRF4400和接收芯片TRF6900。該芯片功耗低，抗干擾能力強，且使用ISM頻段，頻率無需申請．可廣泛應用于無線數據采集系統(tǒng)、無線監(jiān)控系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、智能卡、設備遙控等場合，應用前景十分廣泛。
1．系統(tǒng)結構和功能概述
整個系統(tǒng)主要包括發(fā)射器，接收箱，PC終端顯示，遠程中央站等組成(見圖1)。接收箱出為TTL 異步串行數據，模塊化的好處是可以非常地增減通道，方便地為床邊監(jiān)護儀配置遙測接收模塊（圖2）。接收箱輸出為10 BASE-T接口，直接和遠程的中央站產品接口，單接收箱的容量為8床。通過同時使用多個接收箱，可實現n*8的容量，容量的上限主要由可用頻率帶寬限制。
首先通過攜帶在病人身上的發(fā)射器將病人的信息采集處理后發(fā)射出去，接收箱完成數據接收，送給床邊監(jiān)護儀顯示打印，最后通過10BASE網線送給中央站實現遠程診療。
2．硬件電路設計
2.1. 發(fā)射器
發(fā)射器包括心電參數電路，用于基帶數字信號處理的MSP430微控器，以及TRF4400的射頻發(fā)送模塊電路。其中無線射頻收發(fā)芯片TRF4400是整個系統(tǒng)的核心，直接關系到整個系統(tǒng)的性能。電路如圖2所示
心電參數電路
人體微弱心電信號經過保護電路，差模放大，濾波等電路后得到心電信號ECG，導聯脫落FAIL_RA,FAIL_LL信號，然后通過MSP430自帶的12BIT的AD轉換，參數電路可以通過SHUTDOWN即開關電源信號受控于控制器。通過PACE波撿出得到PACE脈沖信號，利用MSP430的I/O口中斷功能捕獲。
微控制器
本系統(tǒng)中使用的微控制器是TI公司的MSP430。它具有功耗低、體積小等特點，有豐富的硬件資源。
系統(tǒng)還擴展了按鍵電路，如護士呼叫等按鍵，電池電壓低，采樣導聯線脫落等發(fā)光二極管狀態(tài)指示和報警。
供電電路
發(fā)射器采用兩節(jié)5號鎳氫電池供電，容量為1300mAh，可直接對微控制器和TRF6900供電，用電源變換芯片變換為+/-5V為心電ECG參數電路供電，為了達到20小時以上的工作時間，要求發(fā)射器的功耗在120mW以內，發(fā)射部分的平均功耗估計在80mW左右，這樣分配給其他部分的功耗為40mW，這對設計提出了較高要求。對ECG電路需要做針對低功耗的設計優(yōu)化，通過選用低功耗的芯片，這個目標是可以達到的。
2.2.RF無線鏈路
該部分是采用TI的無線收發(fā)模塊TRF4400來完成的，它可實現基帶數字信號的透明傳輸，TRF6900采用DDS和PLL技術，該技術直接由基帶數字信號0，1產生相應兩種不同頻率的正弦波，具體是當傳輸0的時候是根據外接的參考頻率和DDS的編程設置產生輸出某個頻率，而1則是在此基礎上根據調制系數的傳輸速率來編程產生偏移頻率
具有頻率范圍寬、頻率分辨率高、可用軟件方便地控制輸出頻率等優(yōu)點，但DDS由于受參考頻率的限制，輸出頻率通常較低，為了滿足實際需要，所以DDS輸出的中頻信號要經過PLL進行倍頻。倍頻倍數N可設置為256或512，工作模式有兩種選擇，分別為模式0和模式1，通過MODE線選擇，均可設置為發(fā)射或接收，由STANDBY選擇工作模式或者待機模式，頻率方案可通過編程四個專門工作寄存器A,B,C,D靈活設置。它專門有供編程用的串行接口，分別是串行時鐘線CLOCK,數據線DATA,選通線STROBE，在CLOCK的每個上升沿將DATA數據線上的一位數據寫入TRF6900的24位的移位寄存器，順序由高到低，最前面2，3位是地址位，在STROBE為高電平時寫入相應的工作寄存器，其中A,B分別是模式0和模式1的頻率設置寄存器，而頻偏可由D來設置。
由于TRF6900不需要很多其它的外接電路，靈活編程的特點我們可根據要求靈活設置。本系統(tǒng)的發(fā)射和接收都采用FSK調制解調的方式，系統(tǒng)工作在430MHz的UHF頻段，采用頻分多址的方式，發(fā)射器和接收器是一對一的，每個發(fā)射器加玫拇?硎?0KHz,傳輸速率為9600kbps,在發(fā)射器的功率符合無線法規(guī)以及接收器的靈敏度足夠大的情況下，理論上傳輸距離可以達到十幾公里，由于各種損耗的原因，實際上可以達到四五百米。TRF4400射頻部分的電路如下圖3所示：
發(fā)射器射頻電路
為了實現無線數據通信，必須根據無線傳輸的一般要求和采用的無線傳輸收發(fā)模塊芯片的特殊要求來設計一套傳輸協(xié)議，由于異步傳輸效率低，一幀只能傳輸一個字節(jié)，加之TRF6900不支持異步數據格式，所以采用同步幀格式，首先必須發(fā)送一個到兩個字節(jié)的1和0相間隔的位同步碼，一方面用來識別一幀有效數據和無效數據，另一方面是TRF6900接收最終輸出需要的比較參考電平建立時間的需要。接下來就是一個幀同步碼，一般是一個下降沿開始。再下來就是用戶要上傳的狀態(tài)信息以及數據信息。最后就是為了保證無線傳輸的可靠性和高效性必須有檢錯糾錯碼。采用通訊中得到廣泛使用的CRC循環(huán)冗余碼，來達到前向糾錯的目的。格式如圖4所示：
2.3.接收箱部分電路
接收部分每個接收器模塊可以通過軟件控制在空間分集的兩個天線之間切換保證信號的強度，跟發(fā)射器模塊對等，首先讓TRF6900完成解調，將接收到的數據送給MSP430進行基帶信號處理恢復出心電信號，最后通過串口按照約定的通訊協(xié)議送給床邊監(jiān)護儀去顯示每個通道的心電波形。接收器的無線部分的電路和發(fā)射器的外圍電路很類似，在這里不再詳述。
接收器電路
2.4.遠程部分
這部分可通過10BASE-T線通過以太網傳送到遠程的中央站，從而完成遠程監(jiān)護或診療的目的。
遠程部分
3．軟件實現
遙測的系統(tǒng)軟件設計包括兩大部分。一部分是在發(fā)射器上運行的遙測量采集，壓縮，校驗，打包，發(fā)送程序，該部分軟件的特點是計算量大，中斷和定時比較多，對時間要求很嚴格，比較復雜。利用MSP430的AD中斷來采集心電等生物醫(yī)學信號，由于采集到的數據要按照無線協(xié)議的格式發(fā)送，無疑增加了代碼開銷，使得數據流的碼速率增加，如果不壓縮數據的話，不僅受帶寬的限制數據流的速度不能太高，而且不能實現數據的實時發(fā)送，這就必須將采集的數據經過簡單的數據壓縮降低碼速率，之后再計算CRC循環(huán)冗余校驗碼完成組幀，最后用中斷將數據按位通過I/O口發(fā)送給TRF4400。如下圖5所示：
發(fā)射系統(tǒng)軟件框圖 接收系統(tǒng)軟件框圖
另一部分是在接收器上運行的程序，該部分程序包括了接收，檢錯糾錯，解壓縮，拆包以及最后給發(fā)送主控板顯示的程序。這部分程序的特點是通訊很復雜，尤其是接收，另外計算量也很大。至于程序和發(fā)送是對等的，首先通過I/O口的中斷來接收數據，之后完成數據的糾錯，解壓縮，再按照床邊監(jiān)護儀的要求將數據打包采用串口中斷發(fā)送。如上圖6所示：
開發(fā)工具選擇的是跟TI公司的MSP430系列單片機配套的IAR Embebbed Workbench
集成軟件開發(fā)系統(tǒng)，它可以通過仿真器對目標系統(tǒng)實現在線編程，在集成環(huán)境下將用C語言編寫的程序可進行兩種仿真，一種是軟件仿真，開發(fā)系統(tǒng)自帶有很全的處理器驅動程序庫，選擇需要的可進行單步，斷點等調試，另一種是硬件仿真，將程序通過仿真器寫到單片機中實時的運行，設置斷點等調試，通過強大的調試窗口功能可觀察分析運行結果。
4．結束語
通過開發(fā)試驗和醫(yī)院臨床應用證明，系統(tǒng)很好的實現了心電信號的無失真?zhèn)鬏敚瑥亩_到了預期的目的，起到了良好的診斷效果，受到醫(yī)院的好評和醫(yī)生的歡迎。該系統(tǒng)有一定的通用性，不只是用來采集生物醫(yī)學信號，它為低成本實現遠程通訊提供了一種思路和一套解決方案，可廣泛的應用在其它的各行各業(yè)之中。
參考文獻
[1] 胡大可 編著，《MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機》，北京航空航天大學出版社，2001年11月第一版。
[2]Joe Campbell著，徐國定等翻譯，《串行通信C程序員指南》第二版，清華大學出版社，1995年6月第一版。
[3]張唯真編著，《生物醫(yī)學電子學》，清華大學出版社，1990年10月第一版。
[4] John Schilling. Designing With the TRF6900 Single-Chip RF Transmitter[Z]. Texas Instrument Application Report, SWRA033A-January 2001
[5] TRF6900 Single-Chip RF Transceiver, Texas Instruments data sheet SLAA1213,September 2000..
無線遙測產品的市場發(fā)展迅速，最近業(yè)界也掀起了一場無線應用的革命，無線遙測技術已經成為產品競爭力的一個重要因素。從發(fā)展的角度來看，醫(yī)療監(jiān)護產品的無線化、網絡化是發(fā)展趨勢，移動型、具備無線聯網功能的監(jiān)護產品將成為未來市場的主流，另外，TELEMEDICINE（遠程醫(yī)療）的發(fā)展也將使無線監(jiān)護與無線互聯技術大有用武之地。無線應用的前景廣闊，因此研制開發(fā)無線監(jiān)護產品勢在必行。
在該系統(tǒng)中使用了TI公司的單片無線發(fā)送芯片TRF4400和接收芯片TRF6900。該芯片功耗低，抗干擾能力強，且使用ISM頻段，頻率無需申請．可廣泛應用于無線數據采集系統(tǒng)、無線監(jiān)控系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、智能卡、設備遙控等場合，應用前景十分廣泛。
1．系統(tǒng)結構和功能概述
整個系統(tǒng)主要包括發(fā)射器，接收箱，PC終端顯示，遠程中央站等組成(見圖1)。接收箱出為TTL 異步串行數據，模塊化的好處是可以非常地增減通道，方便地為床邊監(jiān)護儀配置遙測接收模塊（圖2）。接收箱輸出為10 BASE-T接口，直接和遠程的中央站產品接口，單接收箱的容量為8床。通過同時使用多個接收箱，可實現n*8的容量，容量的上限主要由可用頻率帶寬限制。
首先通過攜帶在病人身上的發(fā)射器將病人的信息采集處理后發(fā)射出去，接收箱完成數據接收，送給床邊監(jiān)護儀顯示打印，最后通過10BASE網線送給中央站實現遠程診療。
2．硬件電路設計
2.1. 發(fā)射器
發(fā)射器包括心電參數電路，用于基帶數字信號處理的MSP430微控器，以及TRF4400的射頻發(fā)送模塊電路。其中無線射頻收發(fā)芯片TRF4400是整個系統(tǒng)的核心，直接關系到整個系統(tǒng)的性能。電路如圖2所示
心電參數電路
人體微弱心電信號經過保護電路，差模放大，濾波等電路后得到心電信號ECG，導聯脫落FAIL_RA,FAIL_LL信號，然后通過MSP430自帶的12BIT的AD轉換，參數電路可以通過SHUTDOWN即開關電源信號受控于控制器。通過PACE波撿出得到PACE脈沖信號，利用MSP430的I/O口中斷功能捕獲。
微控制器
本系統(tǒng)中使用的微控制器是TI公司的MSP430。它具有功耗低、體積小等特點，有豐富的硬件資源。
系統(tǒng)還擴展了按鍵電路，如護士呼叫等按鍵，電池電壓低，采樣導聯線脫落等發(fā)光二極管狀態(tài)指示和報警。
供電電路
發(fā)射器采用兩節(jié)5號鎳氫電池供電，容量為1300mAh，可直接對微控制器和TRF6900供電，用電源變換芯片變換為+/-5V為心電ECG參數電路供電，為了達到20小時以上的工作時間，要求發(fā)射器的功耗在120mW以內，發(fā)射部分的平均功耗估計在80mW左右，這樣分配給其他部分的功耗為40mW，這對設計提出了較高要求。對ECG電路需要做針對低功耗的設計優(yōu)化，通過選用低功耗的芯片，這個目標是可以達到的。
2.2.RF無線鏈路
該部分是采用TI的無線收發(fā)模塊TRF4400來完成的，它可實現基帶數字信號的透明傳輸，TRF6900采用DDS和PLL技術，該技術直接由基帶數字信號0，1產生相應兩種不同頻率的正弦波，具體是當傳輸0的時候是根據外接的參考頻率和DDS的編程設置產生輸出某個頻率，而1則是在此基礎上根據調制系數的傳輸速率來編程產生偏移頻率
具有頻率范圍寬、頻率分辨率高、可用軟件方便地控制輸出頻率等優(yōu)點，但DDS由于受參考頻率的限制，輸出頻率通常較低，為了滿足實際需要，所以DDS輸出的中頻信號要經過PLL進行倍頻。倍頻倍數N可設置為256或512，工作模式有兩種選擇，分別為模式0和模式1，通過MODE線選擇，均可設置為發(fā)射或接收，由STANDBY選擇工作模式或者待機模式，頻率方案可通過編程四個專門工作寄存器A,B,C,D靈活設置。它專門有供編程用的串行接口，分別是串行時鐘線CLOCK,數據線DATA,選通線STROBE，在CLOCK的每個上升沿將DATA數據線上的一位數據寫入TRF6900的24位的移位寄存器，順序由高到低，最前面2，3位是地址位，在STROBE為高電平時寫入相應的工作寄存器，其中A,B分別是模式0和模式1的頻率設置寄存器，而頻偏可由D來設置。
由于TRF6900不需要很多其它的外接電路，靈活編程的特點我們可根據要求靈活設置。本系統(tǒng)的發(fā)射和接收都采用FSK調制解調的方式，系統(tǒng)工作在430MHz的UHF頻段，采用頻分多址的方式，發(fā)射器和接收器是一對一的，每個發(fā)射器加玫拇?硎?0KHz,傳輸速率為9600kbps,在發(fā)射器的功率符合無線法規(guī)以及接收器的靈敏度足夠大的情況下，理論上傳輸距離可以達到十幾公里，由于各種損耗的原因，實際上可以達到四五百米。TRF4400射頻部分的電路如下圖3所示：
發(fā)射器射頻電路
為了實現無線數據通信，必須根據無線傳輸的一般要求和采用的無線傳輸收發(fā)模塊芯片的特殊要求來設計一套傳輸協(xié)議，由于異步傳輸效率低，一幀只能傳輸一個字節(jié)，加之TRF6900不支持異步數據格式，所以采用同步幀格式，首先必須發(fā)送一個到兩個字節(jié)的1和0相間隔的位同步碼，一方面用來識別一幀有效數據和無效數據，另一方面是TRF6900接收最終輸出需要的比較參考電平建立時間的需要。接下來就是一個幀同步碼，一般是一個下降沿開始。再下來就是用戶要上傳的狀態(tài)信息以及數據信息。最后就是為了保證無線傳輸的可靠性和高效性必須有檢錯糾錯碼。采用通訊中得到廣泛使用的CRC循環(huán)冗余碼，來達到前向糾錯的目的。格式如圖4所示：
2.3.接收箱部分電路
接收部分每個接收器模塊可以通過軟件控制在空間分集的兩個天線之間切換保證信號的強度，跟發(fā)射器模塊對等，首先讓TRF6900完成解調，將接收到的數據送給MSP430進行基帶信號處理恢復出心電信號，最后通過串口按照約定的通訊協(xié)議送給床邊監(jiān)護儀去顯示每個通道的心電波形。接收器的無線部分的電路和發(fā)射器的外圍電路很類似，在這里不再詳述。
接收器電路
2.4.遠程部分
這部分可通過10BASE-T線通過以太網傳送到遠程的中央站，從而完成遠程監(jiān)護或診療的目的。
遠程部分
3．軟件實現
遙測的系統(tǒng)軟件設計包括兩大部分。一部分是在發(fā)射器上運行的遙測量采集，壓縮，校驗，打包，發(fā)送程序，該部分軟件的特點是計算量大，中斷和定時比較多，對時間要求很嚴格，比較復雜。利用MSP430的AD中斷來采集心電等生物醫(yī)學信號，由于采集到的數據要按照無線協(xié)議的格式發(fā)送，無疑增加了代碼開銷，使得數據流的碼速率增加，如果不壓縮數據的話，不僅受帶寬的限制數據流的速度不能太高，而且不能實現數據的實時發(fā)送，這就必須將采集的數據經過簡單的數據壓縮降低碼速率，之后再計算CRC循環(huán)冗余校驗碼完成組幀，最后用中斷將數據按位通過I/O口發(fā)送給TRF4400。如下圖5所示：
發(fā)射系統(tǒng)軟件框圖 接收系統(tǒng)軟件框圖
另一部分是在接收器上運行的程序，該部分程序包括了接收，檢錯糾錯，解壓縮，拆包以及最后給發(fā)送主控板顯示的程序。這部分程序的特點是通訊很復雜，尤其是接收，另外計算量也很大。至于程序和發(fā)送是對等的，首先通過I/O口的中斷來接收數據，之后完成數據的糾錯，解壓縮，再按照床邊監(jiān)護儀的要求將數據打包采用串口中斷發(fā)送。如上圖6所示：
開發(fā)工具選擇的是跟TI公司的MSP430系列單片機配套的IAR Embebbed Workbench
集成軟件開發(fā)系統(tǒng)，它可以通過仿真器對目標系統(tǒng)實現在線編程，在集成環(huán)境下將用C語言編寫的程序可進行兩種仿真，一種是軟件仿真，開發(fā)系統(tǒng)自帶有很全的處理器驅動程序庫，選擇需要的可進行單步，斷點等調試，另一種是硬件仿真，將程序通過仿真器寫到單片機中實時的運行，設置斷點等調試，通過強大的調試窗口功能可觀察分析運行結果。
4．結束語
通過開發(fā)試驗和醫(yī)院臨床應用證明，系統(tǒng)很好的實現了心電信號的無失真?zhèn)鬏敚瑥亩_到了預期的目的，起到了良好的診斷效果，受到醫(yī)院的好評和醫(yī)生的歡迎。該系統(tǒng)有一定的通用性，不只是用來采集生物醫(yī)學信號，它為低成本實現遠程通訊提供了一種思路和一套解決方案，可廣泛的應用在其它的各行各業(yè)之中。
參考文獻
[1] 胡大可 編著，《MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機》，北京航空航天大學出版社，2001年11月第一版。
[2]Joe Campbell著，徐國定等翻譯，《串行通信C程序員指南》第二版，清華大學出版社，1995年6月第一版。
[3]張唯真編著，《生物醫(yī)學電子學》，清華大學出版社，1990年10月第一版。
[4] John Schilling. Designing With the TRF6900 Single-Chip RF Transmitter[Z]. Texas Instrument Application Report, SWRA033A-January 2001
[5] TRF6900 Single-Chip RF Transceiver, Texas Instruments data sheet SLAA1213,September 2000..
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