基于C8051F021的遠(yuǎn)程診斷與急救支援系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于C8051F021單片機(jī)的多生理參數(shù)采集裝置。該裝置作為遠(yuǎn)程診斷與急救支援系統(tǒng)的一部分，能動(dòng)態(tài)地獲取患者的生理參數(shù)，并通過(guò)無(wú)線方式傳送給遠(yuǎn)端的會(huì)診中心，使現(xiàn)場(chǎng)的醫(yī)護(hù)人員能夠及時(shí)得到遠(yuǎn)程會(huì)診中心的專家指導(dǎo)，為遠(yuǎn)程醫(yī)療提供基本的醫(yī)學(xué)信息。

隨著多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程醫(yī)療成為目前國(guó)際上發(fā)展十分迅速的跨學(xué)科高新科技。遠(yuǎn)程診斷與急救支援系統(tǒng)是遠(yuǎn)程醫(yī)療的一個(gè)重要分支，依靠這個(gè)系統(tǒng)，可以將急救現(xiàn)場(chǎng)患者的各種生命信息傳送給遠(yuǎn)端的醫(yī)生，及時(shí)得到醫(yī)療指導(dǎo)或診治。這對(duì)患者獲得高水平的醫(yī)療服務(wù)及緊急情況時(shí)的急救支援，具有重要意義[1]。

系統(tǒng)中患者生理參數(shù)的獲取和傳輸是一個(gè)重要組成部分，為此，筆者設(shè)計(jì)了以美國(guó)CYGNAL公司的SOC芯片C8051F021為中央控制單元的多生理參數(shù)的采集與無(wú)線傳輸裝置。該裝置由生理參數(shù)采集部分和實(shí)時(shí)無(wú)線數(shù)字傳輸?shù)娜藱C(jī)接口組成。這兩部分做成一個(gè)小巧的裝置，病人可以方便地?cái)y帶在身上，連續(xù)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)病人的體溫、血壓、血氧、脈搏、心電等生理參數(shù)，并將這些參數(shù)以無(wú)線方式發(fā)送到與網(wǎng)絡(luò)相連的計(jì)算機(jī)上，經(jīng)處理后傳送到遠(yuǎn)端的會(huì)診中心。利用該遠(yuǎn)程診斷與急救支援系統(tǒng)，會(huì)診中心的專家可以了解病人的狀況，及時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的救護(hù)人員對(duì)患者實(shí)施恰當(dāng)?shù)木茸o(hù)措施。

1 硬件設(shè)計(jì)

基于C8051F021的多生理參數(shù)采集裝置包括心電模塊、血壓模塊、血氧模塊、體溫模塊和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊五部分，各部分的協(xié)調(diào)工作和數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸由主微控制器C8051F021管理。主微控制器是該系統(tǒng)的核心，完成體溫和心電參數(shù)的檢測(cè)，負(fù)責(zé)控制其它模塊并與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)還控制生理參數(shù)的無(wú)線傳輸。因此，對(duì)其運(yùn)行速度和接口功能都有較高的要求。

C8051F021以其速度快、性能高等特點(diǎn)，能確保心電信號(hào)檢測(cè)與處理的實(shí)時(shí)性要求。另外，其豐富的端口資源能滿足各模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所需的多種串行通信接口的需要。其中體溫模塊通過(guò)單線接口與微控制器雙向通信；血壓模塊通過(guò)高速串行通信方式將采集的參數(shù)傳送給C8051F021；血氧模塊則通過(guò)UART將檢測(cè)的參數(shù)結(jié)果傳送給微控制器；無(wú)線傳輸模塊也是通過(guò)微控制器的串口傳送數(shù)據(jù)。C8051F021內(nèi)部自帶的A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換和串行口為系統(tǒng)設(shè)計(jì)省去了很多外圍電路，大大減小了體積。其框架圖如圖1所示。

1．1 C8051F021簡(jiǎn)介

C8051F021是美國(guó)CYGNAL公司推齙幕旌閑藕畔低承酒??歉叨燃?傻鈉?舷低場(chǎng)Ｋ?度肓艘豢罡咚?、低??、高虚嗆?位微處理器，最突出的特點(diǎn)是高速指令處理能力[2、3]。C8051F021采用CIP-51微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令完全兼容。CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比，指令執(zhí)行速度有很大的提高。CIP-51在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率25MHz工作時(shí)，其峰值速度可達(dá)25MIPS。

C8051F021除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，內(nèi)部還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。片內(nèi)集成了多通道12位和8位A／D轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)雙12位D／A轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)增強(qiáng)型UART串口，便于模擬量和數(shù)字量的采集、控制和通信傳輸。該單片機(jī)還集成有4KB內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM和64KB Flash以及外部64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口(可編程為復(fù)用方式和非復(fù)用方式)、總線接口、電壓比較器、溫度傳感器等部件，比常規(guī)51單片機(jī)有更多的定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷、數(shù)字I／O接口。片內(nèi)還配置了標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口(IEEEll49.1)。在上位機(jī)軟件的支持下，通過(guò)串行的JTAC接口可直接對(duì)安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的單片機(jī)進(jìn)行非侵入式、不占用片內(nèi)資源、全速在線系統(tǒng)的調(diào)試，無(wú)需另配編程器及仿真器，是目前功能最強(qiáng)大、性能價(jià)格比最好的單片機(jī)之一[4]。

    1.2 各模塊與微控制器通信的實(shí)現(xiàn)    完成ADC0相應(yīng)的寄存器設(shè)置后，采用定時(shí)器3設(shè)置心電采樣時(shí)間間隔，心電的采樣頻率設(shè)為360Hz。當(dāng)定時(shí)器3溢出中斷時(shí)，啟動(dòng)ADC0開(kāi)始轉(zhuǎn)換。通過(guò)ADC0控制寄存器ADC0CN.5，判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，采樣結(jié)果自動(dòng)存放在ADC0H的低4位和ADC0L中。讀取這12位心電數(shù)據(jù)并通過(guò)自適應(yīng)算法抑制心電信號(hào)中的基線漂移，獲得穩(wěn)定的心電信號(hào)。

1.2.1 測(cè)溫部分

采用DSl8B20溫度傳感器構(gòu)成測(cè)溫系統(tǒng)。DSl8B20是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，它可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微控制器處理。DSl8B20數(shù)字溫度計(jì)能提供9位溫度讀數(shù)，通過(guò)單線接口與C8051F021的I/O口P1.0進(jìn)行雙向通信。讀寫(xiě)及溫度變換的功率來(lái)自于數(shù)據(jù)線而不需額外的電源。

1.2.2 心電部分

心電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大和第二級(jí)放大后送入C8051F021自帶的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。

C8051F021片內(nèi)集成了兩個(gè)多通道ADC子系統(tǒng)(每個(gè)子系統(tǒng)包括一個(gè)可編程增益放大器和一個(gè)模擬多路選擇器)。選用ADC0將心電信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。ADC0子系統(tǒng)包括：一個(gè)9通道的可配置模擬多路開(kāi)關(guān)(AMUX0)、一個(gè)可編程增益放大器(PGA0)和一個(gè)100ksps的12位分辨率的逐次逼進(jìn)寄存器型ADC，ADC中還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。所有這些特性完全由CIP-51通過(guò)特殊功能寄存器控制。心電信號(hào)采樣的設(shè)置如下：(1)置AMUX0配置寄器AMX0CF=0x00；使AIN0～AIN7為獨(dú)立的單端輸入。(2)置AMUX0通道選擇寄存器AMX0SL=0x00；選擇AIN0為ADC0的模擬輸入，即采集的心電信號(hào)從AIN0模擬通道輸入C8051F021。(3)置ADC0配置寄存器ADC0CF=0x48；使ACD0采樣／保持放大器獲取輸入的模擬信號(hào)的周期數(shù)為1／10個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，內(nèi)部放大器增益為1。(4)置ADC0控制寄存器ADC0CN.0=0；使ADC0H和ADC0L寄存器數(shù)據(jù)右對(duì)齊；ADC0CN.7=1；ADC處于活動(dòng)狀態(tài)，并準(zhǔn)備轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。(5)置EIE2.1=1；ADC0轉(zhuǎn)換中斷允許。

 

1.2.3 血壓模塊

血壓模塊與微控制器之間采用高速串行的通信方式，血壓模塊的工作狀態(tài)、測(cè)量結(jié)果通過(guò)兩個(gè)功能引腳輸出，供微控制器處理。這兩個(gè)功能引腳連接到C8051F021的兩個(gè)I／O口，其中輸出的串行時(shí)鐘線連到I/O口P1.2，輸出的串行數(shù)據(jù)線連到I／O口P1.3。若在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)一個(gè)電壓由高到低的跳變，則開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。

輸出的數(shù)據(jù)格式如圖2所示。開(kāi)始處的電壓跳變?nèi)鐖D3所示。開(kāi)始表示在此后的16個(gè)時(shí)鐘信號(hào)內(nèi)將傳送16位的數(shù)據(jù)，其高4位的數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)類型，不同的編碼表示不同的數(shù)據(jù)，如舒張壓、收縮壓和心率分別有各自的代碼，如表1所示；而低12位數(shù)據(jù)則表示具體的數(shù)值，對(duì)應(yīng)前面的數(shù)據(jù)類型可以得到收縮壓、舒張壓和心率的數(shù)據(jù)。

表1 高速串行通信數(shù)據(jù)幀16位數(shù)據(jù)定義

1.2.4 血氧模塊

血氧模塊通過(guò)RS232串行接口傳輸測(cè)量結(jié)果，本系統(tǒng)選用C8051F021的UARTl與血氧模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而將UART0分配給無(wú)線收發(fā)模塊。

首先，主微控制器C8051F021通過(guò)設(shè)置優(yōu)先交叉開(kāi)關(guān)譯碼器XBR0、XBRl和XBR2的值完成數(shù)字資源的動(dòng)態(tài)分配。優(yōu)先權(quán)交叉開(kāi)關(guān)譯碼器可以按優(yōu)先權(quán)順序?qū)0～P3口的引腳分配給器件上的數(shù)字外設(shè)(UART、SM-Bus、ICA、定時(shí)器等)。

其次，要實(shí)現(xiàn)C8051F021與血氧模塊的通信，需完成以下寄存器的配置：(1)初始化交叉開(kāi)關(guān)配置寄存器XBR2，初始值為0x44；分別使能交叉開(kāi)關(guān)和UARTl；(2)初始化端口0輸出方式寄存器P0MDOUT，初始值為0x05；將P0.2和P0.3分別分配給TXl和RXl；(3)完成UARTl工作模式和波特率的設(shè)置。血氧模塊的串口工作在模式1、波特率為9600bps，采用定時(shí)器2完成UABTl對(duì)應(yīng)波特率的設(shè)置。

1.2.5 生理參數(shù)的傳輸

為了方便患者攜帶和醫(yī)生使用，選用無(wú)線收發(fā)芯片nRF401完成生理參數(shù)的無(wú)線傳輸。單片收發(fā)芯片nRF401片內(nèi)集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)以及多頻道切換等功能模塊。它工作在ISM國(guó)際公用頻段，最大能以20kbps的速度進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸[5]。微控制器只需對(duì)nRF401進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制就可以通過(guò)串口完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，nRF401與C8051F021構(gòu)成的無(wú)線通信系統(tǒng)如圖4所示。

C8051F021的UART0的設(shè)置與UARTl的設(shè)置相似，首先初始化交叉開(kāi)關(guān)寄存器XBR0=0x04、XBR2=0x40；分別使能UART0和交叉開(kāi)關(guān)；再初始化特殊功能寄存器P0MDOUT=0x01；將P0.0和P0.1分別分配給TXl和RX1；因?yàn)閁ART0有最高優(yōu)先權(quán)，當(dāng)UART0EN設(shè)置為1時(shí)，P0.0和P0.1總是分配給TXl和BXl；最后完成UART0工作模式和波特率的設(shè)置。

為了將采集到的生理參數(shù)發(fā)送給接收系統(tǒng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，芯片首先上電工作(即PWR_UP=1)，然后選擇數(shù)據(jù)傳輸通道。nRF401有兩個(gè)傳輸通道可供選擇：通道l(433.92MHz)和通道2(434.33MHz)。將TXEN引腳置為高電平(發(fā)送模式)，nRF401就能通過(guò)微控制器的串口發(fā)送數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成以C8051F021為核心的生理參數(shù)的采集和無(wú)線發(fā)送。由于要處理多個(gè)不同的模塊，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中采用了巡回檢測(cè)的方法。在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，設(shè)置了一個(gè)生理信息包協(xié)議，在采集系統(tǒng)和無(wú)線發(fā)送模塊之間，定義通信協(xié)議包如表2所示。串口對(duì)連續(xù)接收的2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)依據(jù)協(xié)議規(guī)則重新裝配。由于生理數(shù)據(jù)(心電、血壓、體溫等)一般不超過(guò)12位，采集系統(tǒng)將它們分別拆為低7位和高5位進(jìn)行傳輸。其中，高位的第一位為高位數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，設(shè)為0；低8位的第一位為低位數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，設(shè)為1。

表2 串口通信協(xié)議包

表3 各參數(shù)的具體識(shí)別方式

為了識(shí)別不同的生理參數(shù)，對(duì)不同生理信號(hào)設(shè)置不同的信號(hào)標(biāo)識(shí)進(jìn)行相應(yīng)的幀編碼。對(duì)心電數(shù)據(jù)采用高8位的B6B5識(shí)別，其它的各類數(shù)據(jù)采用高8位的B6B5B4B3識(shí)別，各參數(shù)的具體識(shí)別方式如表3所示。編碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)微控制器的UART0與nRF401實(shí)現(xiàn)無(wú)線發(fā)送。微控制器的UART0設(shè)置為工作模式1，波特率為9600bps。

系統(tǒng)軟件采用模塊化編程方法，根據(jù)功能將該系統(tǒng)程序分為六個(gè)基本模塊：系統(tǒng)初始化模塊(包括C8051F021微控制器I／O口設(shè)置、寄存器及變量的定義)、體溫模塊、心電模塊、血壓模塊、血氧模塊和無(wú)線傳輸模塊。系統(tǒng)軟件的流程如圖5所示。