心電數字無(wú)線(xiàn)遙測系統的研制

 引言 

       無(wú)線(xiàn)遙測產(chǎn)品的市場(chǎng)發(fā)展迅速，最近業(yè)界也掀起了一場(chǎng)無(wú)線(xiàn)應用的革命，無(wú)線(xiàn)遙測技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品競爭力的一個(gè)重要因素。從發(fā)展的角度來(lái)看，醫療監護產(chǎn)品的無(wú)線(xiàn)化、網(wǎng)絡(luò )化是發(fā)展趨勢，移動(dòng)型、具備無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能的監護產(chǎn)品將成為未來(lái)市場(chǎng)的主流，另外，TELEMEDICINE（遠程醫療）的發(fā)展也將使無(wú)線(xiàn)監護與無(wú)線(xiàn)互聯(lián)技術(shù)大有用武之地。無(wú)線(xiàn)應用的前景廣闊，因此研制開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)監護產(chǎn)品勢在必行。 

       在該系統中使用了TI公司的單片無(wú)線(xiàn)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(wú)需申請．可廣泛應用于無(wú)線(xiàn)數據采集系統、無(wú)線(xiàn)監控系統、收費系統、智能卡、設備遙控等場(chǎng)合，應用前景十分廣泛。 

       1．系統結構和功能概述 

       整個(gè)系統主要包括發(fā)射器，接收箱，PC終端顯示，遠程中央站等組成(見(jiàn)圖1)。接收箱出為T(mén)TL 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(chǎn)品接口，單接收箱的容量為8床。通過(guò)同時(shí)使用多個(gè)接收箱，可實(shí)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(guò)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，送給床邊監護儀顯示打印，最后通過(guò)10BASE網(wǎng)線(xiàn)送給中央站實(shí)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(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片TRF4400是整個(gè)系統的核心，直接關(guān)系到整個(gè)系統的性能。電路如圖2所示 

      

       心電參數電路 

       人體微弱心電信號經(jīng)過(guò)保護電路，差模放大，濾波等電路后得到心電信號ECG，導聯(lián)脫落FAIL_RA,FAIL_LL信號，然后通過(guò)MSP430自帶的12BIT的AD轉換，參數電路可以通過(guò)SHUTDOWN即開(kāi)關(guān)電源信號受控于控制器。通過(guò)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(diǎn)，有豐富的硬件資源。

       系統還擴展了按鍵電路，如護士呼叫等按鍵，電池電壓低，采樣導聯(lián)線(xiàn)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(shí)以上的工作時(shí)間，要求發(fā)射器的功耗在120mW以?xún)?，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(guò)選用低功耗的芯片，這個(gè)目標是可以達到的。 

       2.2.RF無(wú)線(xiàn)鏈路 

       該部分是采用TI的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊TRF4400來(lái)完成的，它可實(shí)現基帶數字信號的透明傳輸，TRF6900采用DDS和PLL技術(shù)，該技術(shù)直接由基帶數字信號0，1產(chǎn)生相應兩種不同頻率的正弦波，具體是當傳輸0的時(shí)候是根據外接的參考頻率和DDS的編程設置產(chǎn)生輸出某個(gè)頻率，而1則是在此基礎上根據調制系數的傳輸速率來(lái)編程產(chǎn)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(diǎn)，但DDS由于受參考頻率的限制，輸出頻率通常較低，為了滿(mǎn)足實(shí)際需要，所以DDS輸出的中頻信號要經(jīng)過(guò)PLL進(jìn)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(guò)MODE線(xiàn)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(guò)編程四個(gè)專(zhuān)門(mén)工作寄存器A,B,C,D靈活設置。它專(zhuān)門(mén)有供編程用的串行接口，分別是串行時(shí)鐘線(xiàn)CLOCK,數據線(xiàn)DATA,選通線(xiàn)STROBE，在CLOCK的每個(gè)上升沿將DATA數據線(xiàn)上的一位數據寫(xiě)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(shí)寫(xiě)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(lái)設置。 

       由于TRF6900不需要很多其它的外接電路，靈活編程的特點(diǎn)我們可根據要求靈活設置。本系統的發(fā)射和接收都采用FSK調制解調的方式，系統工作在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(gè)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(wú)線(xiàn)法規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(shí)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(shí)現無(wú)線(xiàn)數據通信，必須根據無(wú)線(xiàn)傳輸的一般要求和采用的無(wú)線(xiàn)傳輸收發(fā)模塊芯片的特殊要求來(lái)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(gè)字節，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(gè)到兩個(gè)字節的1和0相間隔的位同步碼，一方面用來(lái)識別一幀有效數據和無(wú)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(shí)間的需要。接下來(lái)就是一個(gè)幀同步碼，一般是一個(gè)下降沿開(kāi)始。再下來(lái)就是用戶(hù)要上傳的狀態(tài)信息以及數據信息。最后就是為了保證無(wú)線(xiàn)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(lái)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(gè)接收器模塊可以通過(guò)軟件控制在空間分集的兩個(gè)天線(xiàn)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(jìn)行基帶信號處理恢復出心電信號，最后通過(guò)串口按照約定的通訊協(xié)議送給床邊監護儀去顯示每個(gè)通道的心電波形。接收器的無(wú)線(xiàn)部分的電路和發(fā)射器的外圍電路很類(lèi)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(guò)10BASE-T線(xiàn)通過(guò)以太網(wǎng)傳送到遠程的中央站，從而完成遠程監護或診療的目的。  
       
                                                       𶗲 遠程部分

       3．軟件實(shí)現 

       遙測的系統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(diǎn)是計算量大，中斷和定時(shí)比較多，對時(shí)間要求很?chē)栏?，比較復雜。利用MSP430的AD中斷來(lái)采集心電等生物醫學(xué)信號，由于采集到的數據要按照無(wú)線(xiàn)協(xié)議的格式發(fā)送，無(wú)疑增加了代碼開(kāi)銷(xiāo)，使得數據流的碼速率增加，如果不壓縮數據的話(huà)，不僅受帶寬的限制數據流的速度不能太高，而且不能實(shí)現數據的實(shí)時(shí)發(fā)送，這就必須將采集的數據經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)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(guò)I/O口發(fā)送給TRF4400。如下圖5所示： 

                    
                          𶗳 發(fā)射系統軟件框圖          𶗴 接收系統軟件框圖

       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(diǎn)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(guò)I/O口的中斷來(lái)接收數據，之后完成數據的糾錯，解壓縮，再按照床邊監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(kāi)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(kāi)發(fā)系統，它可以通過(guò)仿真器對目標系統實(shí)現在線(xiàn)編程，在集成環(huán)境下將用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序可進(jìn)行兩種仿真，一種是軟件仿真，開(kāi)發(fā)系統自帶有很全的處理器驅動(dòng)程序庫，選擇需要的可進(jìn)行單步，斷點(diǎn)等調試，另一種是硬件仿真，將程序通過(guò)仿真器寫(xiě)到單片機中實(shí)時(shí)的運行，設置斷點(diǎn)等調試，通過(guò)強大的調試窗口功能可觀(guān)察分析運行結果。 

       4．結束語(yǔ) 

       通過(guò)開(kāi)發(fā)試驗和醫院臨床應用證明，系統很好的實(shí)現了心電信號的無(wú)失真傳輸，從而達到了預期的目的，起到了良好的診斷效果，受到醫院的好評和醫生的歡迎。該系統有一定的通用性，不只是用來(lái)采集生物醫學(xué)信號，它為低成本實(shí)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 

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