基于C8051F021遠(yuǎn)程診斷與急救支援系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.2 心電部分

心電信號經(jīng)過前置放大和第二級放大后送入C8051F021自帶的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。

C8051F021片內(nèi)集成了兩個多通道ADC子系統(tǒng)(每個子系統(tǒng)包括一個可編程增益放大器和一個模擬多路選擇器)。選用ADC0將心電信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0子系統(tǒng)包括：一個9通道的可配置模擬多路開關(guān)(AMUX0)、一個可編程增益放大器(PGA0)和一個100ksps的12位分辨率的逐次逼進(jìn)寄存器型ADC，ADC中還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。所有這些特性完全由CIP-51通過特殊功能寄存器控制。心電信號采樣的設(shè)置如下：(1)置AMUX0配置寄器AMX0CF=0x00;使AIN0～AIN7為獨(dú)立的單端輸入。(2)置AMUX0通道選擇寄存器AMX0SL=0x00;選擇AIN0為ADC0的模擬輸入，即采集的心電信號從AIN0模擬通道輸入C8051F021。(3)置ADC0配置寄存器ADC0CF=0x48;使ACD0采樣/保持放大器獲取輸入的模擬信號的周期數(shù)為1/10個系統(tǒng)時鐘，內(nèi)部放大器增益為1。(4)置ADC0控制寄存器ADC0CN.0=0;使ADC0H和ADC0L寄存器數(shù)據(jù)右對齊;ADC0CN.7=1;ADC處于活動狀態(tài)，并準(zhǔn)備轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。(5)置EIE2.1=1;ADC0轉(zhuǎn)換中斷允許。

1.2.3 血壓模塊

血壓模塊與微控制器之間采用高速串行的通信方式，血壓模塊的工作狀態(tài)、測量結(jié)果通過兩個功能引腳輸出，供微控制器處理。這兩個功能引腳連接到C8051F021的兩個I/O口，其中輸出的串行時鐘線連到I/O口P1.2，輸出的串行數(shù)據(jù)線連到I/O口P1.3。若在一個時鐘周期內(nèi)數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)一個電壓由高到低的跳變，則開始接收數(shù)據(jù)。

輸出的數(shù)據(jù)格式如圖2所示。開始處的電壓跳變?nèi)鐖D3所示。開始表示在此后的16個時鐘信號內(nèi)將傳送16位的數(shù)據(jù)，其高4位的數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)類型，不同的編碼表示不同的數(shù)據(jù)，如舒張壓、收縮壓和心率分別有各自的代碼，如表1所示;而低12位數(shù)據(jù)則表示具體的數(shù)值，對應(yīng)前面的數(shù)據(jù)類型可以得到收縮壓、舒張壓和心率的數(shù)據(jù)。

表1 高速串行通信數(shù)據(jù)幀16位數(shù)據(jù)定義

1.2.4 血氧模塊

血氧模塊通過RS232串行接口傳輸測量結(jié)果，本系統(tǒng)選用C8051F021的UARTl與血氧模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而將UART0分配給無線收發(fā)模塊。

首先，主微控制器C8051F021通過設(shè)置優(yōu)先交叉開關(guān)譯碼器XBR0、XBRl和XBR2的值完成數(shù)字資源的動態(tài)分配。優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器可以按優(yōu)先權(quán)順序?qū)0～P3口的引腳分配給器件上的數(shù)字外設(shè)(UART、SM-Bus、ICA、定時器等)。

其次，要實(shí)現(xiàn)C8051F021與血氧模塊的通信，需完成以下寄存器的配置：(1)初始化交叉開關(guān)配置寄存器XBR2，初始值為0x44;分別使能交叉開關(guān)和UARTl;(2)初始化端口0輸出方式寄存器P0MDOUT，初始值為0x05;將P0.2和P0.3分別分配給TXl和RXl;(3)完成UARTl工作模式和波特率的設(shè)置。血氧模塊的串口工作在模式1、波特率為9600bps，采用定時器2完成UABTl對應(yīng)波特率的設(shè)置。

1.2.5 生理參數(shù)的傳輸

為了方便患者攜帶和醫(yī)生使用，選用無線收發(fā)芯片nRF401完成生理參數(shù)的無線傳輸。單片收發(fā)芯片nRF401片內(nèi)集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)以及多頻道切換等功能模塊。它工作在ISM國際公用頻段，最大能以20kbps的速度進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。微控制器只需對nRF401進(jìn)行簡單的控制就可以通過串口完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，nRF401與C8051F021構(gòu)成的無線通信系統(tǒng)如圖4所示。

C8051F021的UART0的設(shè)置與UARTl的設(shè)置相似，首先初始化交叉開關(guān)寄存器XBR0=0x04、XBR2=0x40;分別使能UART0和交叉開關(guān);再初始化特殊功能寄存器P0MDOUT=0x01;將P0.0和P0.1分別分配給TXl和RX1;因?yàn)閁ART0有最高優(yōu)先權(quán)，當(dāng)UART0EN設(shè)置為1時，P0.0和P0.1總是分配給TXl和BXl;最后完成UART0工作模式和波特率的設(shè)置。

為了將采集到的生理參數(shù)發(fā)送給接收系統(tǒng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，芯片首先上電工作(即PWR_UP=1)，然后選擇數(shù)據(jù)傳輸通道。nRF401有兩個傳輸通道可供選擇：通道l(433.92MHz)和通道2(434.33MHz)。將TXEN引腳置為高電平(發(fā)送模式)，nRF401就能通過微控制器的串口發(fā)送數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成以C8051F021為核心的生理參數(shù)的采集和無線發(fā)送。由于要處理多個不同的模塊，在實(shí)現(xiàn)過程中采用了巡回檢測的方法。在數(shù)據(jù)傳送過程中，設(shè)置了一個生理信息包協(xié)議，在采集系統(tǒng)和無線發(fā)送模塊之間，定義通信協(xié)議包如表2所示。串口對連續(xù)接收的2個字節(jié)的數(shù)據(jù)依據(jù)協(xié)議規(guī)則重新裝配。由于生理數(shù)據(jù)(心電、血壓、體溫等)一般不超過12位，采集系統(tǒng)將它們分別拆為低7位和高5位進(jìn)行傳輸。其中，高位的第一位為高位數(shù)據(jù)標(biāo)識，設(shè)為0;低8位的第一位為低位數(shù)據(jù)標(biāo)識，設(shè)為1。

表2 串口通信協(xié)議包

表3 各參數(shù)的具體識別方式

為了識別不同的生理參數(shù)，對不同生理信號設(shè)置不同的信號標(biāo)識進(jìn)行相應(yīng)的幀編碼。對心電數(shù)據(jù)采用高8位的B6B5識別，其它的各類數(shù)據(jù)采用高8位的B6B5B4B3識別，各參數(shù)的具體識別方式如表3所示。編碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)微控制器的UART0與nRF401實(shí)現(xiàn)無線發(fā)送。微控制器的UART0設(shè)置為工作模式1，波特率為9600bps。

系統(tǒng)軟件采用模塊化編程方法，根據(jù)功能將該系統(tǒng)程序分為六個基本模塊：系統(tǒng)初始化模塊(包括C8051F021微控制器I/O口設(shè)置、寄存器及變量的定義)、體溫模塊、心電模塊、血壓模塊、血氧模塊和無線傳輸模塊。系統(tǒng)軟件的流程如圖5所示。