C8051F021在遠程診斷與急救支援系統(tǒng)中的應用

摘要：介紹了一種基于C8051F021單片機的多生理參數(shù)采集裝置。該裝置作為遠程診斷與急救支援系統(tǒng)的一部分，能動態(tài)地獲取患者的生理參數(shù)，并通過無線方式傳送給遠端的會診中心，使現(xiàn)場的醫(yī)護人員能夠及時得到遠程會診中心的專家指導，為遠程醫(yī)療提供基本的醫(yī)學信息。 關鍵詞：C8051F021 UART A/D轉換 無線傳輸 隨著多媒體技術、計算機網(wǎng)絡和通信技術的發(fā)展，遠程醫(yī)療成為目前國際上發(fā)展十分迅速的跨學科高新科技。遠程診斷與急救支援系統(tǒng)是遠程醫(yī)療的一個重要分支，依靠這個系統(tǒng)，可以將急救現(xiàn)場患者的各種生命信息傳送給遠端的醫(yī)生，及時得到醫(yī)療指導或診治。這對患者獲得高水平的醫(yī)療服務及緊急情況時的急救支援，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重要組成部分，為此，筆者設計了以美國CYGNAL公司的SOC芯片C8051F021為中央控制單元的多生理參數(shù)的采集與無線傳輸裝置。該裝置由生理參數(shù)采集部分和實時無線數(shù)字傳輸?shù)娜藱C接口組成。這兩部分做成一個小巧的裝置，病人可以方便地攜帶在身上，連續(xù)動態(tài)地監(jiān)測病人的體溫、血壓、血氧、脈搏、心電等生理參數(shù)，并將這些參數(shù)以無線方式發(fā)送到與網(wǎng)絡相連的計算機上，經(jīng)處理后傳送到遠端的會診中心。利用該遠程診斷與急救支援系統(tǒng)，會診中心的專家可以了解病人的狀況，及時指導現(xiàn)場的救護人員對患者實施恰當?shù)木茸o措施。 1 硬件設計 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、體溫模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊五部分，各部分的協(xié)調工作和數(shù)據(jù)的無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，負責控制其它模塊并與之進行數(shù)據(jù)交換，同時還控制生理參數(shù)的無線傳輸。因此，對其運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，能確保心電信號檢測與處理的實時性要求。另外，其豐富的端口資源能滿足各模塊結構設計中所需的多種串行通信接口的需要。其中體溫模塊通過單線接口與微控制器雙向通信;血壓模塊通過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UART 將檢測的參數(shù)結果傳送給微控制器;無線傳輸模塊也是通過微控制器的串口傳送數(shù)據(jù)。C8051F021內(nèi)部自帶的A/D轉換、D/A轉換和串行口為系統(tǒng)設計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簡介 C8051F021是美國CYGNAL公司推出的混合信號系統(tǒng)芯片，是高度集成的片上系統(tǒng)。它嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微處理器，最突出的特點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采用流水線結構，與標準的 8051結構相比，指令執(zhí)行速度有很大的提高。CIP-51在最大系統(tǒng)時鐘頻率25MHz工作時，其峰值速度可達25MIPS。 C8051F021除了具有標準8051的數(shù)字外設部件之外，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)字外設及功能部件。片內(nèi)集成了多通道12位和8位A/D轉換器以及一個雙12位D/A轉換器，兩個增強型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)存儲器接口(可編程為復用方式和非復用方式)、總線接口、電壓比較器、溫度傳感器等部件，比常規(guī)51單片機有更多的定時計數(shù)器、中斷、數(shù)字I/O接口。片內(nèi)還配置了標準的JTAG接口(IEEEll49.1)。在上位機軟件的支持下，通過串行的JTAC接口可直接對安裝在最終應用系統(tǒng)上的單片機進行非侵入式、不占用片內(nèi)資源、全速在線系統(tǒng)的調試，無需另配編程器及仿真器，是目前功能最強大、性能價格比最好的單片機之一 [4]。

1.2 各模塊與微控制器通信的實現(xiàn) 1.2.1 測溫部分 采用DSl8B20溫度傳感器構成測溫系統(tǒng)。DSl8B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，它可把溫度信號直接轉換成串行數(shù)字信號供微控制器處理。DSl8B20數(shù)字溫度計能提供9位溫度讀數(shù)，通過單線接口與C8051F021的I/O口P1.0進行雙向通信。讀寫及溫度變換的功率來自于數(shù)據(jù)線而不需額外的電源。 1.2.2 心電部分 心電信號經(jīng)過前置放大和第二級放大后送入C8051F021自帶的A/D轉換器進行采樣。 C8051F021片內(nèi)集成了兩個多通道ADC子系統(tǒng)(每個子系統(tǒng)包括一個可編程增益放大器和一個模擬多路選擇器)。選用ADC0將心電信號進行A/D轉換。ADC0子系統(tǒng)包括：一個9通道的可配置模擬多路開關(AMUX0)、一個可編程增益放大器(PGA0)和一個100ksps的12位分辨率的逐次逼進寄存器型ADC，ADC中還集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。所有這些特性完全由CIP-51通過特殊功能寄存器控制。心電信號采樣的設置如下： (1)置AMUX0配置寄器AMX0CF=0x00;使AIN0～AIN7為獨立的單端輸入。(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的周期數(shù)為1/10個系統(tǒng)時鐘，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)右對齊;ADC0CN.7=1;ADC處于活動狀態(tài)，并準備轉換數(shù)據(jù)。(5)置EIE2.1=1;ADC0轉換中斷允許。 圖4 完成ADC0相應的寄存器設置后，采用定時器3設置心電采樣時間間隔，心電的采樣頻率設為360Hz。當定時器3溢出中斷時，啟動ADC0開始轉換。通過 ADC0控制寄存器ADC0CN.5，判斷轉換是否結束。轉換結束后，采樣結果自動存放在ADC0H的低4位和ADC0L中。讀取這12位心電數(shù)據(jù)并通過自適應算法抑制心電信號中的基線漂移，獲得穩(wěn)定的心電信號。 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)、測量結果通過兩個功能引腳輸出，供微控制器處理。這兩個功能引腳連接到 C8051F021的兩個I/O口，其中輸出的串行時鐘線連到I/O口P1.2，輸出的串行數(shù)據(jù)線連到I/O口P1.3。若在一個時鐘周期內(nèi)數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)一個電壓由高到低的跳變，則開始接收數(shù)據(jù)。 輸出的數(shù)據(jù)格式如圖2所示。開始處的電壓跳變?nèi)鐖D3所示。開始表示在此后的16個時鐘信號內(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，對應前面的數(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 D15～D12 D11～D0 0 0 0 0 實時壓力0～300 0 0 0 1 收縮壓60～280 0 0 1 0 舒張壓40～200 0 0 1 1 心率40～200 0 1 0 1 自檢信號 1 1 1 0 測量出錯 1.2.4 血氧模塊 血氧模塊通過RS232串行接口傳輸測量結果，本系統(tǒng)選用C8051F021的UARTl與血氧模塊進行數(shù)據(jù)交換，而將UART0分配給無線收發(fā)模塊。 首先，主微控制器C8051F021通過設置優(yōu)先交叉開關譯碼器XBR0、XBRl和XBR2的值完成數(shù)字資源的動態(tài)分配。優(yōu)先權交叉開關譯碼器可以按優(yōu)先權順序將P0～P3口的引腳分配給器件上的數(shù)字外設(UART、SM-Bus、ICA、定時器等)。 其次，要實現(xiàn)C8051F021與血氧模塊的通信，需完成以下寄存器的配置：(1)初始化交叉開關配置寄存器XBR2，初始值為0x44;分別使能交叉開關和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置。

血氧模塊的串口工作在模式1、波特率為9600bps，采用定時器2完成UABTl對應波特率的設置。 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，選用無線收發(fā)芯片nRF401完成生理參數(shù)的無線傳輸。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調制、FSK解調以及多頻道切換等功能模塊。它工作在ISM國際公用頻段，最大能以20kbps的速度進行無線數(shù)據(jù)傳輸[5]。微控制器只需對 nRF401進行簡單的控制就可以通過串口完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，nRF401與C8051F021構成的無線通信系統(tǒng)如圖4所示。 C8051F021的UART0的設置與UARTl的設置相似，首先初始化交叉開關寄存器XBR0=0x04、XBR2=0x40;分別使能UART0和交叉開關;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;因為UART0有最高優(yōu)先權，當 UART0EN設置為1時，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就能通過微控制器的串口發(fā)送數(shù)據(jù)。 2 系統(tǒng)軟件的設計 系統(tǒng)軟件主要完成以C8051F021為核心的生理參數(shù)的采集和無線發(fā)送。由于要處理多個不同的模塊，在實現(xiàn)過程中采用了巡回檢測的方法。在數(shù)據(jù)傳送過程中，設置了一個生理信息包協(xié)議，在采集系統(tǒng)和無線發(fā)送模塊之間，定義通信協(xié)議包如表2所示。串口對連續(xù)接收的2個字節(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12位，采集系統(tǒng)將它們分別拆為低7位和高5位進行傳輸。其中，高位的第一位為高位數(shù)據(jù)標識，設為0;低8位的第一位為低位數(shù)據(jù)標識，設為1。 表2 串口通信協(xié)議包 1bit 2bit 5bit 1bit 7bit B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 0 type 　 data 1 data 表3 各參數(shù)的具體識別方式 B6 B5 B4 B3 　 0 0 心電參數(shù)(12位) 1 0 0 0 血壓參數(shù)(收縮壓) 1 0 0 1 血壓參數(shù)(舒張壓) 1 0 1 0 心率 1 0 1 1 體溫 1 1 0 0 血樣飽和度為了識別不同的生理參數(shù)，對不同生理信號設置不同的信號標識進行相應的幀編碼。對心電數(shù)據(jù)采用高8位的B6B5識別，其它的各類數(shù)據(jù)采用高8位的 B6B5B4B3識別，各參數(shù)的具體識別方式如表3所示。編碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)微控制器的UART0與nRF401實現(xiàn)無線發(fā)送。微控制器的UART0設置為工作模式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)程序分為六個基本模塊：系統(tǒng)初始化模塊(包括C8051F021微控制器I/O口設置、寄存器及變量的定義)、體溫模塊、心電模塊、血壓模塊、血氧模塊和無線傳輸模塊。系統(tǒng)軟件的流程如圖5所示。