個人狀態(tài)遠程監(jiān)視及語音通訊系統(tǒng)研究

 本文以TI公司MSP430系列的單片機為核心，提出了個人狀態(tài)遠程監(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，并實現(xiàn)對象間的無線語音通訊。

引言

個人狀態(tài)遠程監(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行遠程生理監(jiān)護。系統(tǒng)由多臺分機和若干臺主機構(gòu)成，各分機能獨立采集作戰(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。救護小組根據(jù)主機中得到的信息對受傷人員進行及時的救治。另外，實現(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，以減輕醫(yī)生負擔。因此，該系統(tǒng)具有較大實用價值。

系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)是由分機和主機構(gòu)成。分機能夠采集人體的生命信息，并經(jīng)無線通訊傳送給主機。主機接收生命信息數(shù)據(jù)，并將其顯現(xiàn)在LCD顯示屏上。不管是分機還是主機，設(shè)備之間均能實現(xiàn)語音通訊?？紤]到戰(zhàn)場通訊要求可靠性高，抗干擾能力強，并應(yīng)具有保密性的特點，我們選用無線擴頻通訊技術(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(jié)構(gòu)同分機相似，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，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)點越來越受到廣大使用者的青睞。再加上它超低功耗特點，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模式。Stel-2000A是數(shù)字擴頻芯片，完成擴頻解擴功能。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，即可實現(xiàn)語音編碼，也有解碼功能，且連接使用方便。

單片機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)，即單片機讀取來自TRF6900并已解擴的數(shù)據(jù)，送給語音解碼芯片CMX639。當鍵被按下時，麥克風處于受話狀態(tài)，CMX639把麥克風輸出的數(shù)據(jù)編碼，MSP430讀取該編碼數(shù)據(jù)，處理后送給無線擴頻通訊部分。

圖1分機硬件連接框圖

生命信息的測量

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進行A/D轉(zhuǎn)換。為了盡可能提高體溫測量的準確性，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和單片機連接圖

語音輸入/輸出的實現(xiàn)

語音通訊功能是本系統(tǒng)的重要組成部分。CVSD芯片CMX639是實現(xiàn)語音輸入/輸出的關(guān)鍵器件，其特點是抗干擾能力強。它和單片機的連接關(guān)系如圖2所示。系統(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聲器。當鍵被按下，麥克風輸出的信號由編碼輸入(ENCODERINPUT)管腳進入CMX639芯片，由其編碼后，數(shù)據(jù)被MSP430讀入。單片機中有相應(yīng)的存儲區(qū)作為射頻數(shù)據(jù)區(qū)。通訊部分進出該數(shù)據(jù)區(qū)與CVSD進出該數(shù)據(jù)區(qū)在速率上應(yīng)保持一致。

擴頻通訊部分的設(shè)計

擴頻通訊是由數(shù)字擴頻模塊與射頻收發(fā)器TRF6900在單片機的控制下實現(xiàn)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(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(nèi)部結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)啟動后，單片機首先對TRF6900和Stel-2000A進行編程配置。TRF6900的CLOCK、DATA、STROBE管腳是編程用單向串行總線，見圖4的TRF6900內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。直接數(shù)字合成器(DDS)中有24位移位寄存器，MSP430給TRF6900配置時向其CLOCK端腳輸入串行控制脈沖，同時把控制數(shù)據(jù)置于DATA上寫入DDS的24位移位寄存器當中。若STROBE為高電平，則單片機對射頻收發(fā)器進行DDS模式、調(diào)制器以及PLL等的設(shè)置。設(shè)置完成后通訊部分開始工作，各芯片都在單片機的控制作用下互相配合，完成通信數(shù)據(jù)的收發(fā)。

圖5 主機系統(tǒng)流程圖

軟件設(shè)計

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)送每隔一段時間進行一次，間隔時間可以設(shè)為20秒，具體可由單片機內(nèi)部定時器觸發(fā)的中斷程序中進行。一般情況鍵未按下，表示設(shè)備處于接收狀態(tài)，則單片機控制TRF6900和Stel-2000A接收數(shù)據(jù)。分機接收到的數(shù)據(jù)一定為語音信號，由單片機送給CMX639解碼。主機應(yīng)根據(jù)接收到數(shù)據(jù)的有關(guān)標志，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解碼送入揚聲器。當鍵被按下時，設(shè)備進行語音的輸入和發(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是分機和主機的系統(tǒng)流程框圖。

結(jié)語

本文介紹了個人狀態(tài)遠程監(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)通訊的可靠性和實時性。

圖6 主機系統(tǒng)流程框圖