基于nRF9E5的無線多生理參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂俊龍 陳春燕 郭有強(qiáng)

(1.蚌埠學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，安徽 蚌埠 233030;2.蚌埠醫(yī)學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室，安徽 蚌埠 233030)

便捷高效、經(jīng)濟(jì)可行的人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)對(duì)于醫(yī)療過程中數(shù)據(jù)采集水平的提高相當(dāng)重要［1］。目前表征人體基本生命指標(biāo)的常規(guī)生理參數(shù)有體溫、心電、腦電和脈搏等［1，6］。在此針對(duì)體溫、心電、腦電參數(shù)，設(shè)計(jì)一套基于nRF9E5的無線便攜多生理信號(hào)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

生理信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)其檢測(cè)信號(hào)的不同，功能各異，但其整體構(gòu)成卻基本相似［3］。本系統(tǒng)通過多個(gè)傳感器或電極選用多路開關(guān)采提取出人體生理信息，轉(zhuǎn)化為可以處理的生理信號(hào);然后經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路將提取的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、運(yùn)算、回復(fù)信號(hào)特征和抑制干擾等加工得到所需信號(hào);最后將信號(hào)通過nRF9E5模塊傳送給MSP430進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換以及相關(guān)的處理并實(shí)時(shí)顯示。生理信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成如如圖1所示。

圖1 生理信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 心電采集

心電采集模塊設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分:一部分心電信號(hào)的采集及調(diào)理電路的設(shè)計(jì);另一部分是心電信號(hào)的采集處理。心電通過電極從人體體表提取出來，然后信號(hào)放大、調(diào)理電路，調(diào)理后的信號(hào)經(jīng)nRF9E5無線發(fā)送給MSP430單片機(jī)。

因心電信號(hào)取自于人的體表，信號(hào)源阻抗較大，背景噪聲強(qiáng)，故采集電路應(yīng)具有高增益、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、高安全性、合適帶寬等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中放大調(diào)理采用圖2所示設(shè)計(jì)方法。

圖2 心電采集模塊框圖

心電信號(hào)經(jīng)電極拾取后先利用前置放大進(jìn)行初步放大。針對(duì)心電信號(hào)的采集要求，前置放大電路采用AD620［2］高精度儀表放大器，在1和8引腳間跨接增益電阻可方便的調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)。增益為:。為了消除人體引入位移電流產(chǎn)生的共模干擾，在前置放大電路引入了右腿驅(qū)動(dòng)電路，即把前級(jí)放大電路的增益電阻處反饋信號(hào)從反向放大器的負(fù)端輸入，放大后接人體右腿來減小共模干擾。為了提高電路的輸入阻抗，降低人體與地面之間的漏電流，又在前置放大電路添加屏蔽驅(qū)動(dòng)電路。圖3為帶屏蔽驅(qū)動(dòng)和右腿驅(qū)動(dòng)的前置放大電路。

心電信號(hào)頻率集中于0.05～100 Hz，其中主要的干擾來源于50 Hz工頻干擾，所以濾波電路分為低通濾波、高通濾波和50 Hz陷波電路。低通濾波電路采用增益為1的巴特沃斯濾波器，只需選取適當(dāng)?shù)?C1、C2、R1、R2，就可以使低通截止頻率為 100 Hz。高通濾波采用Sallen－Key二階高通濾波電路，同樣設(shè)置 C1、C2、R1、R2使得截止頻率為 0.05 Hz。50 Hz陷波電路采用雙T陷波電路來濾除50 Hz工頻干擾。

圖3 帶屏蔽驅(qū)動(dòng)和右腿驅(qū)動(dòng)的前置放大電路

后置放大電路把經(jīng)過前置放大和濾波的信號(hào)進(jìn)一步放大，使信號(hào)正好處于nRF9E5中ADC的刻度范圍內(nèi)，進(jìn)一步提高采集精度。經(jīng)過調(diào)理后的模擬信號(hào)輸入數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，通過處理器和外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集傳輸。

2.2 體溫檢測(cè)

傳統(tǒng)的體溫檢測(cè)使用水銀溫度計(jì)，雖然水銀溫度計(jì)具有成本低、測(cè)量簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但因其測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)和測(cè)量數(shù)據(jù)不便于計(jì)算機(jī)讀取，故不適合集成。本設(shè)計(jì)借鑒工業(yè)控制中的測(cè)溫辦法，采用熱敏電阻來檢測(cè)體溫。熱敏電阻是半導(dǎo)體感溫元件，具有靈敏度高、反應(yīng)速度快、體積小質(zhì)量輕、熱慣性小、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低、方便集成的特點(diǎn)。體溫采集模塊分為體溫采集與調(diào)理。

體溫調(diào)理采用橋路測(cè)溫電路，熱敏電阻為MF51E，橋路測(cè)溫電路所需要的精密電壓基準(zhǔn)電源由MAX6029轉(zhuǎn)換而來。信號(hào)放大器選用AD623。采集信號(hào)通過放大、調(diào)理電路后經(jīng)nRF9E5無線發(fā)送給MSP430單片機(jī)。體溫采集電路如圖4所示。

2.3 腦電采集

腦電的測(cè)量采用單導(dǎo)聯(lián)方式，以耳垂為零電位點(diǎn)，將活動(dòng)電極放置于頭皮上來采集腦電信號(hào)。腦電采集和心電采集的方案基本相同，只不過濾波電路由0.5 Hz的高通和40 Hz的低通濾波器組成的帶通濾波器與抑制強(qiáng)工頻干擾的陷波器構(gòu)成。經(jīng)過處理的信號(hào)再由nRF9E5無線發(fā)送給MSP430單片機(jī)。

圖4 體溫采集電路

2.4 無線通信模塊

無線通信采用nRF9E5，nRF9E5是Nordic VLSI公司2004年推出的無線單片機(jī)芯片，內(nèi)置nRF905收發(fā)器，工作電壓為1.9～3.6 V，32引腳DFQ封裝，工作頻率為433 MHz868 MHz915 MHz，工作方式為 ShockBurst，最大發(fā)射功率為10 dB·m，速率 100 kbs［4］。通信時(shí)只需通過 SPI就可完成所有的收發(fā)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能，可通過程序控制收發(fā)器處于空閑或關(guān)機(jī)模式。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，在室內(nèi)有墻壁阻隔、無劇烈運(yùn)動(dòng)的情況下，有效傳輸距離可達(dá)30 m以上，所以使用者可以在一定范圍內(nèi)自由活動(dòng)，傳輸時(shí)的丟包率小于0.0001保證了采集數(shù)據(jù)不丟失。

2.5 MSP430

MSP430F169為16位RISC架構(gòu)，最高運(yùn)算速度8MIPS的超低功耗單芯片微控制器，是業(yè)界專為低功耗應(yīng)用需求所設(shè)計(jì)的微控制器［5］。廣泛應(yīng)用于可攜式產(chǎn)品應(yīng)用。它擁有豐富的IO口和外設(shè)資源，自帶 ADC，60K+256B 的 Flash，2KB 的 RAM，可通過JTAG編程與調(diào)試接口下載程序進(jìn)行在線調(diào)試。采用MSP430作為系統(tǒng)的控制核心不僅可滿足簡(jiǎn)化電路的需求，也可滿足低功耗的需求。

MSP430和nRF9E5通過標(biāo)準(zhǔn)的SPI口進(jìn)行通信，SPI口由4線組成，分別是 CS(片選)CLK(時(shí)鐘)MISO(數(shù)據(jù)輸入)MOSI(數(shù)據(jù)輸出)。nRF9E5的所有配置都通過SPI口進(jìn)行，每次操作SPI口首先使CS置0，操作完成后CS置1便于下次操作。MSP430與nRF9E5接口如圖5所示。

圖5 MSP430與nRF9E5接口

2.6 供電電源設(shè)計(jì)

為了給在信號(hào)的采集調(diào)理、傳輸、處理和顯示等電路提供其需要多個(gè)不同的穩(wěn)定電壓，本系統(tǒng)采用如下電路進(jìn)行供電。其中SPX1117為一個(gè)低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器，具有較低的靜態(tài)電流，非常適合便攜式電子儀器的應(yīng)用，如圖6所示。

圖6 電源電路

3 軟件設(shè)計(jì)

基于nRF9E5的無線生理參數(shù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為無線通信、AD轉(zhuǎn)換及相關(guān)換數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)顯示等。

3.1 無線傳輸

nRF9E5每次發(fā)送接收數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)包的方式來進(jìn)行，數(shù)據(jù)包由前導(dǎo)碼、地址碼、有效數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)四個(gè)部分構(gòu)成。無線收發(fā)主機(jī)模塊和各個(gè)生理參數(shù)從機(jī)模塊的無線接收程序采用數(shù)據(jù)就緒(DR)中斷響應(yīng)模式。主從機(jī)的無線發(fā)送程序完全相同，采用函數(shù)模塊編寫，直接調(diào)用即可。

主模塊nRF9E5主要完成的任務(wù):

(1)接收任務(wù):每300ms發(fā)送同步信號(hào)，等待節(jié)點(diǎn)反饋并把有效數(shù)據(jù)送給上位機(jī)。

(2)發(fā)送任務(wù):上位機(jī)的命令數(shù)據(jù)發(fā)給節(jié)點(diǎn)。

從模塊首先判斷1s內(nèi)是否收到同步信號(hào)，收到后再判斷ID是否為0，ID=0，從模塊延時(shí)1s后發(fā)采集數(shù)據(jù)給主模塊，否則從模塊接收數(shù)據(jù)。圖7為上位機(jī)流程圖，圖8為節(jié)點(diǎn)模塊流程圖。

3.2 A/D 轉(zhuǎn)換

AD轉(zhuǎn)換采用MSP430內(nèi)部自帶的12位精度的AD轉(zhuǎn)換模塊ADC12，參考電壓采用2.5V外部電壓。信號(hào)由P6.0口輸入。由SHI信號(hào)上升沿觸發(fā)采樣定時(shí)器。采用單通道重復(fù)轉(zhuǎn)換模式，流程圖如圖9所示。

圖7 上位機(jī)流程圖

圖8 節(jié)點(diǎn)模塊流程圖

圖9 AD轉(zhuǎn)換流程圖

3.3 實(shí)時(shí)顯示

本系統(tǒng)使用的是HG19264圖形液晶顯示模塊。寫入數(shù)據(jù)時(shí)首先判斷液晶芯片是否空閑，空閑則寫入;可以通過寫入編碼值自行判斷全角漢字和半角字符。為保證顯示的及時(shí)性和連續(xù)性，又不能超出單片機(jī)速度限制和程序容量，波形曲線采用逐點(diǎn)畫直線的方法實(shí)現(xiàn)。程序流程如圖10所示。

圖10 實(shí)時(shí)顯示流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)經(jīng)過聯(lián)合調(diào)試，可以順利地進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示等，實(shí)現(xiàn)了多種生理參數(shù)的檢測(cè)分析和顯示，測(cè)試結(jié)果表明各個(gè)模塊工作正常，測(cè)量數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確，達(dá)到了預(yù)想的研究目的，具有一定的推廣價(jià)值。

基于nRF9E5的無線生理參數(shù)采集系統(tǒng)，根據(jù)人體生理信號(hào)的特征和檢測(cè)要求，結(jié)合無線射頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多種生理參數(shù)的檢測(cè)、分析和顯示。該系統(tǒng)體積小、功耗低、使用方便。可用于家庭或戶外，方便醫(yī)務(wù)人員及非專業(yè)人員在監(jiān)護(hù)室外不同環(huán)境下的使用，有助于疾病的預(yù)防和診斷。

［1］Keng Siau.Health care informatics.IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine，2003，7:1 －7.

［2］Low Cost，Low Power Instrumentation Amplifier AD620.Analog Device Corporation.2005.

［3］郭四穩(wěn)，古樂野.多通道大容量高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001，38(1):29－32.

［4］張業(yè)茂，張建功等.基于nRF905模塊的無線通信直流電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.高壓電技術(shù)，2012，38(11):2869－2874.

［5］邱宏，李煒等.基于MPS430單片機(jī)的便攜式無線多路采集系統(tǒng)［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，39(2):433－436.

［6］鄧親愷.現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)原理［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.