多功能監護儀的無(wú)線(xiàn)通訊系統

　　1 引 言

　　多功能監護儀是一種常用的臨床醫療器械，他可以把病人的心電(ECG)、呼吸(RESP)、血氧飽和度(SPO2)、血壓(BP)等參數顯示出來(lái)，通過(guò)24小時(shí)對病人各種生理參數的監測及分析。

　　在某一生理機能參數超出規定數值時(shí)便發(fā)出警報，提醒醫護人員及病人家屬進(jìn)行搶救的一種監護系統，是醫護人員診斷、治療及搶救的重要器械。

　　傳統的監護儀一般通過(guò)串口與主監護室相連，布線(xiàn)不方便而且僅局限于手術(shù)過(guò)程和ICU病房的監護，限制了其使用價(jià)值，不能滿(mǎn)足所有臨床科室的使用。本文設計了一套無(wú)線(xiàn)通訊系統，通過(guò)星型網(wǎng)絡(luò )和一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)把一個(gè)房間內的監護儀的信號送入公司的局域網(wǎng)，使監護儀擺脫了電纜的限制，實(shí)現了醫療監護系統的網(wǎng)絡(luò )化，同時(shí)通過(guò)內置的電池，可以放在任何臨床病人需要的場(chǎng)合。

　　2 系統描述

　　本系統不需要改動(dòng)原監護儀的任何軟件，最大限度地保護原有的設計投入。本系統只是在監護儀與醫院的局域網(wǎng)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，建立起上行與下行的兩個(gè)虛擬通道，實(shí)現數據的透明傳輸。該系統的無(wú)線(xiàn)頻率選擇在2.4 GHz的ISM頻段，由1臺主機與6臺分機構成。由于原來(lái)設計的串口通訊速度一般為19 200 b／s，在6臺分機同時(shí)需要傳輸數據的情況下，主機的速度會(huì )達到19 200*6 b／s，再加上協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)，因此對主機的處理能力和無(wú)線(xiàn)傳輸的速度提出了很高的要求，同時(shí)還要處理與局域網(wǎng)連接的TCP／IP協(xié)議，一般的8位單片機達不到設計要求。本設計采用了ST的STR912FW44作為主機的控制器，而從機由于只負責數據的收發(fā)，采用了相對簡(jiǎn)單的8位機ATmega 8作為控制器，無(wú)線(xiàn)芯片采用nRF的nRF24L01，2Mb／s無(wú)線(xiàn)數據鏈路，可以確保系統對速度的要求。另外，nRF24L01集成了自動(dòng)發(fā)送和接收數據包、發(fā)送和應答信號、檢測和重發(fā)丟失數據包、存儲沒(méi)有收到應答信號的數據包等功能，所以可以自動(dòng)重發(fā)丟失的數據包，從而確保用戶(hù)終端的可靠性。詳細的系統框圖如圖1所示。

　　3 硬件設計

　　本系統中的主機，采用了ST公司的STR912FW44。STR912FW44是ST最新ARM9單片工業(yè)級微控制器STR91x系列之一，基于A(yíng)RM966E-S內核，片內自帶FLASH，USB，CAN，SPI，以太網(wǎng)等外設。具有緊密耦合的512 kB的FLASH存儲器，以及96 kB的SRAM，由于本系統不涉及到復雜的應用程序，所以不需要外擴存儲器。STR912FW44內部已經(jīng)包括了以太網(wǎng)的MAC和MII接口，在他與已太網(wǎng)相連時(shí)，僅需要添加一個(gè)以太網(wǎng)的物理層芯片(PHY)RTL8201BL。

　　STR912FW44具有一個(gè)可以工作在主從模式下的SPI接口，通過(guò)該接口與nRF24L011進(jìn)行數據交換，在本應用中，SPI工作于主模式下。射頻部分采用nRF的nRF24L01芯片，nRF24L01具有高達2 Mb／s的傳輸速度，縮短了數據在空中的延遲時(shí)間，對于多從模式下的數據傳輸，可以減少數據碰撞的機會(huì )。詳細的主機硬件框圖如圖2所示。

　　對于本設計的射頻部分，希望傳送盡可能遠的距離，由于nRF24L01的輸出功率只有幾dBm，不符合要求，因此外加了SiGa的PA2423L做功率放大。采用-個(gè)射頻模擬開(kāi)關(guān)UPG2214來(lái)切換nRF24L01的工作狀態(tài)，即發(fā)射狀態(tài)或接收狀態(tài)，使發(fā)射功率可以達到20 dBm，在空曠地，傳輸距離可以超過(guò)500 m。

　　對于從機，采用了相對簡(jiǎn)單的設計?？刂破鳛锳TMEL公司的AVR系列中的一款：ATmega8，射頻部分與主機相同，同樣通過(guò)SPI接口與ATmega8交換數據。一方面，ATmega8接收從UART傳過(guò)來(lái)的數據，打包后通過(guò)射頻部分發(fā)射出去，同時(shí)，通過(guò)SPI接口接收從nRF24L01傳來(lái)的數據，去除協(xié)議部分，然后交給UART。

　　由于本系統中包括混合的電路系統，對PCB的設計提出了很高的要求，本設計使用普通的FR4板材，要注意以下幾點(diǎn)：

　　(1)將PCB分成獨立的模擬部分和數字部分。

　　(2)合適的零件布局，注意電源的濾波。

　　(3)布線(xiàn)的時(shí)候盡量減少環(huán)路的面積，以降低感應噪聲。

　　(4)電源線(xiàn)與地線(xiàn)要盡量粗，除了可以減小壓降外，更重要的是可以降低耦合噪聲。

　　4 軟件設計

　　本設計對數據傳輸的實(shí)時(shí)性具有很高的要求，必須仔細計算與調整協(xié)議的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)和數據包的大小。鑒于nRF24L01內部已經(jīng)具有了簡(jiǎn)單的數據鏈路層和32 BFIFO，并且包括CRC校驗和出錯重傳機制，故可以在此基礎上設計數據鏈路層。