心電數(shù)字無線遙測系統(tǒng)的研制

 引言 

       無線遙測產(chǎn)品的市場發(fā)展迅速，最近業(yè)界也掀起了一場無線應(yīng)用的革命，無線遙測技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品競爭力的一個(gè)重要因素。從發(fā)展的角度來看，醫(yī)療監(jiān)護(hù)產(chǎn)品的無線化、網(wǎng)絡(luò)化是發(fā)展趨勢(shì)，移動(dòng)型、具備無線聯(lián)網(wǎng)功能的監(jiān)護(hù)產(chǎn)品將成為未來市場的主流，另外，TELEMEDICINE（遠(yuǎn)程醫(yī)療）的發(fā)展也將使無線監(jiān)護(hù)與無線互聯(lián)技術(shù)大有用武之地。無線應(yīng)用的前景廣闊，因此研制開發(fā)無線監(jiān)護(hù)產(chǎn)品勢(shì)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(qiáng)，且使用ISM頻段，頻率無需申請(qǐng)．可廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線監(jiān)控系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)、智能卡、設(shè)備遙控等場合，應(yīng)用前景十分廣泛。 

       1．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能概述 

       整個(gè)系統(tǒng)主要包括發(fā)射器，接收箱，PC終端顯示，遠(yuǎn)程中央站等組成(見圖1)。接收箱出為TTL 異步串行數(shù)據(jù)，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(hù)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(yuǎn)程的中央站產(chǎn)品接口，單接收箱的容量為8床。通過同時(shí)使用多個(gè)接收箱，可實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)接收，送給床邊監(jiān)護(hù)儀顯示打印，最后通過10BASE網(wǎng)線送給中央站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診療。 

       2．硬件電路設(shè)計(jì) 

       2.1. 發(fā)射器 

       發(fā)射器包括心電參數(shù)電路，用于基帶數(shù)字信號(hào)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(gè)系統(tǒng)的核心，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。電路如圖2所示 

      

       心電參數(shù)電路 

       人體微弱心電信號(hào)經(jīng)過保護(hù)電路，差模放大，濾波等電路后得到心電信號(hào)ECG，導(dǎo)聯(lián)脫落FAIL_RA,FAIL_LL信號(hào)，然后通過MSP430自帶的12BIT的AD轉(zhuǎn)換，參數(shù)電路可以通過SHUTDOWN即開關(guān)電源信號(hào)受控于控制器。通過PACE波撿出得到PACE脈沖信號(hào)，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(diǎn)，有豐富的硬件資源。

       系統(tǒng)還擴(kuò)展了按鍵電路，如護(hù)士呼叫等按鍵，電池電壓低，采樣導(dǎo)聯(lián)線脫落等發(fā)光二極管狀態(tài)指示和報(bào)警。 

       供電電路 

       發(fā)射器采用兩節(jié)5號(hào)鎳氫電池供電，容量為1300mAh，可直接對(duì)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(shù)電路供電，為了達(dá)到20小時(shí)以上的工作時(shí)間，要求發(fā)射器的功耗在120mW以內(nèi)，發(fā)射部分的平均功耗估計(jì)在80mW左右，這樣分配給其他部分的功耗為40mW，這對(duì)設(shè)計(jì)提出了較高要求。對(duì)ECG電路需要做針對(duì)低功耗的設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過選用低功耗的芯片，這個(gè)目標(biāo)是可以達(dá)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(shí)現(xiàn)基帶數(shù)字信號(hào)的透明傳輸，TRF6900采用DDS和PLL技術(shù)，該技術(shù)直接由基帶數(shù)字信號(hào)0，1產(chǎn)生相應(yīng)兩種不同頻率的正弦波，具體是當(dāng)傳輸0的時(shí)候是根據(jù)外接的參考頻率和DDS的編程設(shè)置產(chǎn)生輸出某個(gè)頻率，而1則是在此基礎(chǔ)上根據(jù)調(diào)制系數(shù)的傳輸速率來編程產(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，為了滿足實(shí)際需要，所以DDS輸出的中頻信號(hào)要經(jīng)過PLL進(jìn)行倍頻。倍頻倍數(shù)N可設(shè)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(shè)置為發(fā)射或接收，由STANDBY選擇工作模式或者待機(jī)模式，頻率方案可通過編程四個(gè)專門工作寄存器A,B,C,D靈活設(shè)置。它專門有供編程用的串行接口，分別是串行時(shí)鐘線CLOCK,數(shù)據(jù)線DATA,選通線STROBE，在CLOCK的每個(gè)上升沿將DATA數(shù)據(jù)線上的一位數(shù)據(jù)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(shí)寫入相應(yīng)的工作寄存器，其中A,B分別是模式0和模式1的頻率設(shè)置寄存器，而頻偏可由D來設(shè)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(jù)要求靈活設(shè)置。本系統(tǒng)的發(fā)射和接收都采用FSK調(diào)制解調(diào)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(duì)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(dá)到十幾公里，由于各種損耗的原因，實(shí)際上可以達(dá)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(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，必須根據(jù)無線傳輸?shù)囊话阋蠛筒捎玫臒o線傳輸收發(fā)模塊芯片的特殊要求來設(shè)計(jì)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(jié)，加之TRF6900不支持異步數(shù)據(jù)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(jié)的1和0相間隔的位同步碼，一方面用來識(shí)別一幀有效數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)，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。接下來就是一個(gè)幀同步碼，一般是一個(gè)下降沿開始。再下來就是用戶要上傳的狀態(tài)信息以及數(shù)據(jù)信息。最后就是為了保證無線傳輸?shù)目煽啃院透咝员仨氂袡z錯(cuò)糾錯(cuò)碼。采用通訊中得到廣泛使用的CRC循環(huán)冗余碼，來達(dá)到前向糾錯(cuò)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軟件控制在空間分集的兩個(gè)天線之間切換保證信號(hào)的強(qiáng)度，跟發(fā)射器模塊對(duì)等，首先讓TRF6900完成解調(diào)，將接收到的數(shù)據(jù)送給MSP430進(jìn)行基帶信號(hào)處理恢復(fù)出心電信號(hào)，最后通過串口按照約定的通訊協(xié)議送給床邊監(jiān)護(hù)儀去顯示每個(gè)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(yuǎn)程部分 

       這部分可通過10BASE-T線通過以太網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)程的中央站，從而完成遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)或診療的目的。  
       
                                                       𶗲 遠(yuǎn)程部分

       3．軟件實(shí)現(xiàn) 

       遙測的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩大部分。一部分是在發(fā)射器上運(yùn)行的遙測量采集，壓縮，校驗(yàn)，打包，發(fā)送程序，該部分軟件的特點(diǎn)是計(jì)算量大，中斷和定時(shí)比較多，對(duì)時(shí)間要求很嚴(yán)格，比較復(fù)雜。利用MSP430的AD中斷來采集心電等生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，由于采集到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)流的碼速率增加，如果不壓縮數(shù)據(jù)的話，不僅受帶寬的限制數(shù)據(jù)流的速度不能太高，而且不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)送，這就必須將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)壓縮降低碼速率，之后再計(jì)算CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼完成組幀，最后用中斷將數(shù)據(jù)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(yùn)行的程序，該部分程序包括了接收，檢錯(cuò)糾錯(cuò)，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(fù)雜，尤其是接收，另外計(jì)算量也很大。至于程序和發(fā)送是對(duì)等的，首先通過I/O口的中斷來接收數(shù)據(jù)，之后完成數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)，解壓縮，再按照床邊監(jiān)護(hù)儀的要求將數(shù)據(jù)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(jī)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(duì)目標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線編程，在集成環(huán)境下將用C語言編寫的程序可進(jìn)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(qū)動(dòng)程序庫，選擇需要的可進(jìn)行單步，斷點(diǎn)等調(diào)試，另一種是硬件仿真，將程序通過仿真器寫到單片機(jī)中實(shí)時(shí)的運(yùn)行，設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試，通過強(qiáng)大的調(diào)試窗口功能可觀察分析運(yùn)行結(jié)果。 

       4．結(jié)束語 

       通過開發(fā)試驗(yàn)和醫(yī)院臨床應(yīng)用證明，系統(tǒng)很好的實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)的無失真?zhèn)鬏?，從而達(dá)到了預(yù)期的目的，起到了良好的診斷效果，受到醫(yī)院的好評(píng)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(xué)信號(hào)，它為低成本實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊提供了一種思路和一套解決方案，可廣泛的應(yīng)用在其它的各行各業(yè)之中。 

       參考文獻(xiàn) 

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