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本文以TI公司MSP430系列的單片機(jī)為核心，提出了個人狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視及語音通訊系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)能采集個人的心率、血壓和體溫等生命信息，并實(shí)現(xiàn)對象間的無線語音通訊。 引言 個人狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視是指及時地對戰(zhàn)場中的士兵或執(zhí)行危險任務(wù)（如反恐）的警察等時刻具有生命危險的人員進(jìn)行遠(yuǎn)程生理監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)由多臺分機(jī)和若干臺主機(jī)構(gòu)成，各分機(jī)能獨(dú)立采集作戰(zhàn)人員的心率、血壓和體溫等生命信息，并由無線通信送給主機(jī)。救護(hù)小組根據(jù)主機(jī)中得到的信息對受傷人員進(jìn)行及時的救治。另外，實(shí)現(xiàn)各對象間的語音通訊對于提高戰(zhàn)斗力也是必不可少的。類似的設(shè)備亦可用于危重病人監(jiān)護(hù)，以減輕醫(yī)生負(fù)擔(dān)。因此，該系統(tǒng)具有較大實(shí)用價值。 系統(tǒng)組成及工作原理 系統(tǒng)是由分機(jī)和主機(jī)構(gòu)成。分機(jī)能夠采集人體的生命信息，并經(jīng)無線通訊傳送給主機(jī)。主機(jī)接收生命信息數(shù)據(jù)，并將其顯現(xiàn)在LCD顯示屏上。不管是分機(jī)還是主機(jī)，設(shè)備之間均能實(shí)現(xiàn)語音通訊。考慮到戰(zhàn)場通訊要求可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，并應(yīng)具有保密性的特點(diǎn)，我們選用無線擴(kuò)頻通訊技術(shù)。近些年來，微處理器和大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展使得無線擴(kuò)頻通訊成本迅速下降。綜上所述，分機(jī)的硬件連接框圖如圖1。主機(jī)結(jié)構(gòu)同分機(jī)相似，只需去掉生命信息采集部分，改為LCD顯示即可。 TI公司近年來推出的MSP430系列單片機(jī)，是一款優(yōu)秀的16位RISC結(jié)構(gòu)微處理器，其指令周期短，具有多種省電模式，集成的A/D轉(zhuǎn)換器，以及性價比高等眾多優(yōu)點(diǎn)越來越受到廣大使用者的青睞。再加上它超低功耗特點(diǎn)，很適合作為本系統(tǒng)的核心微控制器。具體型號定為MSP430F149,它帶有60KB閃存，12位的A/D轉(zhuǎn)換器和硬件乘法器。另外，我們選擇了TRF6900單片射頻收發(fā)器來完成雙向無線傳輸。該產(chǎn)品也是TI公司生產(chǎn)，其內(nèi)部集成了完整的發(fā)射電路和接收電路，供電電壓為2.2V-3.6V，并具有低功耗的待機(jī)模式。Stel-2000A是數(shù)字?jǐn)U頻芯片，完成擴(kuò)頻解擴(kuò)功能。語音編解碼芯片選用CMX639,這是一種CVSD(Continual Variable Slope DeltaModulation 連接可變斜率增量調(diào)制)芯片，即可實(shí)現(xiàn)語音編碼，也有解碼功能，且連接使用方便。 單片機(jī)MSP430F149定時采集心率、血壓和體溫等信息，并將數(shù)據(jù)編排成一定的幀格式，交給Stel-2000A擴(kuò)頻后由射頻收發(fā)器TRF6900發(fā)出。語音的輸入與輸出由按鍵控制。一般情況下，設(shè)備處于語音接收狀態(tài)，即單片機(jī)讀取來自TRF6900并已解擴(kuò)的數(shù)據(jù)，送給語音解碼芯片CMX639。當(dāng)鍵被按下時，麥克風(fēng)處于受話狀態(tài)，CMX639把麥克風(fēng)輸出的數(shù)據(jù)編碼，MSP430讀取該編碼數(shù)據(jù)，處理后送給無線擴(kuò)頻通訊部分。 圖1分機(jī)硬件連接框圖 傳統(tǒng)的人體血壓測量采用汞柱式血壓計，該方法顯然不適用于本系統(tǒng)。目前，松下和歐姆龍公司都已研制成功腕式血壓計。該產(chǎn)品體積小巧，使用方便，只須將戴在手腕上，我們即可讀出自己的血壓。有的腕式血壓計同樣有測量心率的功能。因此，在系統(tǒng)方案中，將腕式血壓計改裝，作為向MSP430單片機(jī)傳送血壓和心率數(shù)據(jù)的傳感器。應(yīng)該注意的是，心率是指心臟每分鐘的跳動次數(shù)，如果我們在測量心率時，是先測量一段時間內(nèi)的跳動次數(shù)，再換算成一分鐘的數(shù)值，那么這個心率數(shù)值由于變化緩慢，不能及時反映人體心率的變化。因此，較好的方法是測量心率的周期，并由周期/頻率轉(zhuǎn)換程序得到結(jié)果。 體溫測量可以使用晶體震蕩法或熱敏電阻法。MSP430F149單片機(jī)自身帶有A/D轉(zhuǎn)換器，為了使外圍線路簡化，選用熱敏電阻法。電阻電橋輸出的電壓放大后直接送入MSP430F149進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為了盡可能提高體溫測量的準(zhǔn)確性，測量范圍應(yīng)設(shè)定在30度到45度為宜。熱敏電阻應(yīng)和人體緊密接觸，所以包括前面測量血壓的袖套及測脈搏的壓電傳感器均可固定在緊身內(nèi)衣上，以方便使用。 圖2 CMX639和單片機(jī)連接圖 語音通訊功能是本系統(tǒng)的重要組成部分。CVSD芯片CMX639是實(shí)現(xiàn)語音輸入/輸出的關(guān)鍵器件，其特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。它和單片機(jī)的連接關(guān)系如圖2所示。系統(tǒng)內(nèi)有CVSD程序，其作用是在一般情況下將射頻接收區(qū)的數(shù)據(jù)全部勻速的送給CMX639解碼輸入（DECODERINPUT）管腳。CMX639執(zhí)行一定的解碼算法后送給揚(yáng)聲器。當(dāng)鍵被按下，麥克風(fēng)輸出的信號由編碼輸入（ENCODERINPUT）管腳進(jìn)入CMX639芯片，由其編碼后，數(shù)據(jù)被MSP430讀入。單片機(jī)中有相應(yīng)的存儲區(qū)作為射頻數(shù)據(jù)區(qū)。通訊部分進(jìn)出該數(shù)據(jù)區(qū)與CVSD進(jìn)出該數(shù)據(jù)區(qū)在速率上應(yīng)保持一致。 擴(kuò)頻通訊部分的設(shè)計 擴(kuò)頻通訊是由數(shù)字?jǐn)U頻模塊與射頻收發(fā)器TRF6900在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)的。Stel-2000A須外接晶振。圖3給出了單片機(jī)、SSTRANCEIVER和TRF900的連接。圖中SSTRANCEIVER主要是Stel-2000A和兩路A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器完成信號正交分路后的I和Q支路的模數(shù)變換，具體連接可詳細(xì)參考文獻(xiàn)[4]。 圖3 MSP430微控制器、擴(kuò)頻芯片與射頻收發(fā)器連接圖 圖4 TRF6900內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖5 主機(jī)系統(tǒng)流程圖 系統(tǒng)啟動后先初始化，在各模塊的配置完成后，MSP430開始讀取生命信息的輸入并處理，在一定的控制信號下送給Stel-2000A，擴(kuò)頻后由TRF6900發(fā)送出去。心率、血壓和體溫的采集和發(fā)送每隔一段時間進(jìn)行一次，間隔時間可以設(shè)為20秒，具體可由單片機(jī)內(nèi)部定時器觸發(fā)的中斷程序中進(jìn)行。一般情況鍵未按下，表示設(shè)備處于接收狀態(tài)，則單片機(jī)控制TRF6900和Stel-2000A接收數(shù)據(jù)。分機(jī)接收到的數(shù)據(jù)一定為語音信號，由單片機(jī)送給CMX639解碼。主機(jī)應(yīng)根據(jù)接收到數(shù)據(jù)的有關(guān)標(biāo)志，判定是生命信息還是語音信號。前者由LCD顯示出來，后者經(jīng)CMX639解碼送入揚(yáng)聲器。當(dāng)鍵被按下時，設(shè)備進(jìn)行語音的輸入和發(fā)送，此時暫停對生命信息的采集，具體過程如前所述。圖5和圖6是分機(jī)和主機(jī)的系統(tǒng)流程框圖。 結(jié)語 本文介紹了個人狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視及語音通訊系統(tǒng)合理的設(shè)計方案。必要情況下，分機(jī)最好能夠向主機(jī)報告自身位置信息，具體可使用GSP定位。另一方面，嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)是目前發(fā)展的一大趨勢，若將其引入將能大大提高無線網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性和實(shí)時性。 圖6 主機(jī)系統(tǒng)流程框圖 |
