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本文以TI公司MSP430系列的單片機為核心，提出了個(gè)人狀態(tài)遠程監視及語(yǔ)音通訊系統方案。該系統能采集個(gè)人的心率、血壓和體溫等生命信息，并實(shí)現對象間的無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音通訊。 引言 個(gè)人狀態(tài)遠程監視是指及時(shí)地對戰場(chǎng)中的士兵或執行危險任務(wù)（如反恐）的警察等時(shí)刻具有生命危險的人員進(jìn)行遠程生理監護。系統由多臺分機和若干臺主機構成，各分機能獨立采集作戰人員的心率、血壓和體溫等生命信息，并由無(wú)線(xiàn)通信送給主機。救護小組根據主機中得到的信息對受傷人員進(jìn)行及時(shí)的救治。另外，實(shí)現各對象間的語(yǔ)音通訊對于提高戰斗力也是必不可少的。類(lèi)似的設備亦可用于危重病人監護，以減輕醫生負擔。因此，該系統具有較大實(shí)用價(jià)值。 系統組成及工作原理 系統是由分機和主機構成。分機能夠采集人體的生命信息，并經(jīng)無(wú)線(xiàn)通訊傳送給主機。主機接收生命信息數據，并將其顯現在LCD顯示屏上。不管是分機還是主機，設備之間均能實(shí)現語(yǔ)音通訊�？紤]到戰場(chǎng)通訊要求可靠性高，抗干擾能力強，并應具有保密性的特點(diǎn)，我們選用無(wú)線(xiàn)擴頻通訊技術(shù)。近些年來(lái)，微處理器和大規模集成電路的迅猛發(fā)展使得無(wú)線(xiàn)擴頻通訊成本迅速下降。綜上所述，分機的硬件連接框圖如圖1。主機結構同分機相似，只需去掉生命信息采集部分，改為L(cháng)CD顯示即可。 TI公司近年來(lái)推出的MSP430系列單片機，是一款優(yōu)秀的16位RISC結構微處理器，其指令周期短，具有多種省電模式，集成的A/D轉換器，以及性?xún)r(jià)比高等眾多優(yōu)點(diǎn)越來(lái)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(lái)完成雙向無(wú)線(xiàn)傳輸。該產(chǎn)品也是TI公司生產(chǎn)，其內部集成了完整的發(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模式。Stel-2000A是數字擴頻芯片，完成擴頻解擴功能。語(yǔ)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制)芯片，即可實(shí)現語(yǔ)音編碼，也有解碼功能，且連接使用方便。 單片機MSP430F149定時(shí)采集心率、血壓和體溫等信息，并將數據編排成一定的幀格式，交給Stel-2000A擴頻后由射頻收發(fā)器TRF6900發(fā)出。語(yǔ)音的輸入與輸出由按鍵控制。一般情況下，設備處于語(yǔ)音接收狀態(tài)，即單片機讀取來(lái)自TRF6900并已解擴的數據，送給語(yǔ)音解碼芯片CMX639。當鍵被按下時(shí)，麥克風(fēng)處于受話(huà)狀態(tài)，CMX639把麥克風(fēng)輸出的數據編碼，MSP430讀取該編碼數據，處理后送給無(wú)線(xiàn)擴頻通訊部分。 圖1分機硬件連接框圖 傳統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。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，在系統方案中，將腕式血壓計改裝，作為向MSP430單片機傳送血壓和心率數據的傳感器。應該注意的是，心率是指心臟每分鐘的跳動(dòng)次數，如果我們在測量心率時(shí)，是先測量一段時(shí)間內的跳動(dòng)次數，再換算成一分鐘的數值，那么這個(gè)心率數值由于變化緩慢，不能及時(shí)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/頻率轉換程序得到結果。 體溫測量可以使用晶體震蕩法或熱敏電阻法。MSP430F149單片機自身帶有A/D轉換器，為了使外圍線(xiàn)路簡(jiǎn)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轉換。為了盡可能提高體溫測量的準確性，測量范圍應設定在30度到45度為宜。熱敏電阻應和人體緊密接觸，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衣上，以方便使用。 圖2 CMX639和單片機連接圖 語(yǔ)音通訊功能是本系統的重要組成部分。CVSD芯片CMX639是實(shí)現語(yǔ)音輸入/輸出的關(guān)鍵器件，其特點(diǎn)是抗干擾能力強。它和單片機的連接關(guān)系如圖2所示。系統內有CVSD程序，其作用是在一般情況下將射頻接收區的數據全部勻速的送給CMX639解碼輸入（DECODERINPUT）管腳。CMX639執行一定的解碼算法后送給揚聲器。當鍵被按下，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，數據被MSP430讀入。單片機中有相應的存儲區作為射頻數據區。通訊部分進(jìn)出該數據區與CVSD進(jìn)出該數據區在速率上應保持一致。 擴頻通訊部分的設計 擴頻通訊是由數字擴頻模塊與射頻收發(fā)器TRF6900在單片機的控制下實(shí)現的。Stel-2000A須外接晶振。圖3給出了單片機、SSTRANCEIVER和TRF900的連接。圖中SSTRANCEIVER主要是Stel-2000A和兩路A/D轉換器。A/D轉換器完成信號正交分路后的I和Q支路的模數變換，具體連接可詳細參考文獻[4]。 圖3 MSP430微控制器、擴頻芯片與射頻收發(fā)器連接圖 圖4 TRF6900內部結構 圖5 主機系統流程圖 系統啟動(dòng)后先初始化，在各模塊的配置完成后，MSP430開(kāi)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(shí)間進(jìn)行一次，間隔時(shí)間可以設為20秒，具體可由單片機內部定時(shí)器觸發(fā)的中斷程序中進(jìn)行。一般情況鍵未按下，表示設備處于接收狀態(tài)，則單片機控制TRF6900和Stel-2000A接收數據。分機接收到的數據一定為語(yǔ)音信號，由單片機送給CMX639解碼。主機應根據接收到數據的有關(guān)標志，判定是生命信息還是語(yǔ)音信號。前者由LCD顯示出來(lái)，后者經(jīng)CMX639解碼送入揚聲器。當鍵被按下時(shí)，設備進(jìn)行語(yǔ)音的輸入和發(fā)送，此時(shí)暫停對生命信息的采集，具體過(guò)程如前所述。圖5和圖6是分機和主機的系統流程框圖。 結語(yǔ) 本文介紹了個(gè)人狀態(tài)遠程監視及語(yǔ)音通訊系統合理的設計方案。必要情況下，分機最好能夠向主機報告自身位置信息，具體可使用GSP定位。另一方面，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統是目前發(fā)展的一大趨勢，若將其引入將能大大提高無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊的可靠性和實(shí)時(shí)性。 圖6 主機系統流程框圖 |
