心電數(shù)字無線遙測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

無線遙測(cè)產(chǎn)品的市場(chǎng)發(fā)展迅速，最近業(yè)界也掀起了一場(chǎng)無線應(yīng)用的革命，無線遙測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)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(chǎng)合，應(yīng)用前景十分廣泛。

2．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(cè)接收模塊（圖2）。接收箱輸出為10BASE-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。

3．硬件電路設(shè)計(jì)

3.1.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

1) 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。

2) 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。

3)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。

3.2.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：