基于Wi—Fi的醫(yī)學信號采集系統(tǒng)研究

摘要：介紹了基于Wi-Fi的超低功率芯片GS1011在生物信號采集與傳輸系統(tǒng)中的應用。GS1011通過外部接口與TI公司高精度、低功耗、低噪聲的16通道(多路復用的)24位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1258相結(jié)合，實現(xiàn)了一個體積小、接入方便、功耗低的生物信號采集與傳輸系統(tǒng)，并通過仿真實驗驗證。
關(guān)鍵詞：GS1011；Wi—Fi；ADS1258；生物信號采集與傳輸

引言
    生物信號的采集分析系統(tǒng)為我們發(fā)現(xiàn)、了解生物信號提供了一種可能。它可以將難以感知的微弱信號顯示出來并對信號特征進行分析，使得醫(yī)生對病人的診斷更加準確，更能有針對性地提出診療辦法。然而人體的生物信號多屬于強噪聲背景下的低頻弱信號，如腦電信號的頻帶在0．5～100Hz之間，肌電信號的頻帶為10～2 000 Hz，這使得生物信號的采集與處理具有較高的難度。
    針對以上問題，采用Gain Span公司超低功耗的無線芯片GS1011與TI公司推出的高精度、低功耗、低噪聲的16通道(多路復用的)24位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1258結(jié)合的方法，既可以提高生物信號的采集精度，又可以運用成熟的Wi—Fi無線傳輸技術(shù)提高傳輸速率和傳輸距離。

1 系統(tǒng)總體概述
    圖1為系統(tǒng)構(gòu)架圖。由圖1可知，該系統(tǒng)是便攜可穿戴式的，生物體將該裝置佩戴在身上，獲取所需生物信號并對其進行信號放大、高精度采樣，以及處理等，最后通過無線傳輸與附近局域網(wǎng)內(nèi)的無線AP實現(xiàn)通信，將采集到的生物信號通過無線AP傳給局域網(wǎng)服務器以便醫(yī)護人員分析診斷。

2 系統(tǒng)組成與工作
2．1 硬件組成
    系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

    本設計采用的是Gain Span公司的超低功耗的無線芯片GS1011，雖然現(xiàn)在傳統(tǒng)的Wi—Fi傳輸系統(tǒng)非常多，但是能夠?qū)崿F(xiàn)超低功耗傳輸?shù)膮s寥寥無幾。GS1011采用兩個32位ARM7處理器，并集成了射頻發(fā)射器、片上Flash和片上SRAM，支持IEEE802．11射頻通信、MAC層和物理層協(xié)議，以及應用程序進程。GS1011的芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    GS1011芯片中包括兩個32位ARM7處理器，其中一個為WLAN MAC處理器(WLAN CPU)，負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的Wi—Fi收發(fā)；另外一個ARM7 CPU為應用處理器(Application CPU)，主要用于用戶應用程序的運行。GS1011芯片內(nèi)嵌的Flash和SRAM用于保存程序和數(shù)據(jù)；JTAG口用于對芯片進行編程和調(diào)試；ADC、I2C總線、GPIO等接口用于接收來自傳感器網(wǎng)絡節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)信息，以及實現(xiàn)外圍系統(tǒng)擴展、RF開關(guān)和功率控制等功能。
    ADS1258是TI公司推出的一款高精度、低功耗、低噪聲的16通道(多路復用的)24位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。該器件的固定通道采樣速率為125 ks ／s，自動通道掃描采樣速率為23．7 ks／s，適用于設備與系統(tǒng)監(jiān)控、醫(yī)療儀器、航空電子、儀表與工業(yè)過程控制等應用領(lǐng)域。
    ADS1258內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。該器件主要由16路模擬輸入轉(zhuǎn)換器、可編程數(shù)字濾波器、時鐘發(fā)生器、通用輸入／輸出端口和SPI串行接口等組成。16路模擬輸入通道可配置為8路差分輸入或者16路單端輸入形式?？删幊虜?shù)字濾波器?？墒褂脩粼谵D(zhuǎn)換精度和數(shù)據(jù)速率之間進行優(yōu)化選擇。時鐘發(fā)生器產(chǎn)生模／數(shù)轉(zhuǎn)換基準時鐘。SPI接口用于ADS1258與外部處理器之間進行串行通信。

    ADS1258內(nèi)部電路可分為模擬和數(shù)字兩大部分，模擬部分可采用單極性電源(5 V)或者雙極性電源(±2．5 V)供電，數(shù)字部分電源電壓為2．7～5．25 V。當模擬部分采用單極性供電時，其輸入模擬信號的電壓范圍為0～5．25 V；當模擬部分采用雙極性供電時，其允許輸入信號的范圍為-2．5～2．5 V，是真正的雙極性輸入。
    ADS1258有固定通道輸人和自動通道掃描輸入兩種工作模式。模／數(shù)轉(zhuǎn)換時，既可使用片內(nèi)參考電壓，也可外加高精度參考電壓源。轉(zhuǎn)換時鐘既可由片內(nèi)時鐘發(fā)生器提供，也可由片外時鐘電路或者時鐘源提供。ADS1258的串行接口與SPI兼容，便于與外部處理器進行通信。同時，ADS1258內(nèi)部的監(jiān)控電路簡化了對芯片供電電壓、工作溫度及參考電壓的檢測，通過讀取系統(tǒng)參數(shù)寄存器即可獲取這些信息。
    ADS1258片內(nèi)有10個獨立寄存器，其中9個可供用戶使用，通過對這些寄存器進行設置來控制其工作過程，其主要寄存器如表1所列。

    表1中，CONFIGO、CONFIG1是結(jié)構(gòu)寄存器，用來設置工作模式、輸入方式、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出格式、開關(guān)切換時延、轉(zhuǎn)換速率等。CONFIG0寄存器中，SPIRST位用于設置SCLK引腳空閑256個或4 096個時鐘周期時，SPI接口復位；MUXMOD位選擇ADS1258工作于固定通道模式還是自動掃描模式；BYPAS位選擇待轉(zhuǎn)換的電壓信號通過芯片轉(zhuǎn)換器輸出的內(nèi)部直連，還是外部緩沖方式送到ADC模塊；CLKENB位、CHOP位與STAT位，分別用于確定時鐘信號輸出、濾波器斬波功能與狀態(tài)字節(jié)輸出是否使能。
    CONFIG1寄存器中，IDLMOD位用于選擇芯片空閑時處于等待模式還是休眠模式；DLY2～DLY0位的不同組合用于選擇切換到新通道后，轉(zhuǎn)換開始前的延遲周期數(shù)；DRATE1～DRATE0位的不同組合可以選擇4種采樣轉(zhuǎn)換率。
    MUXSCH寄存器用于固定通道模式下ADC模塊正負端口輸入通道的選擇。MUXDIF寄存器、MUXSG0寄存器與MUXSG1寄存器，用于自動掃描模式下差分輸入通道和單端輸入通道的選擇。
    另外，SYSRED寄存器用于確定器件增益、基準參考電壓、芯片溫度、供電電壓及零位漂移電壓等參數(shù)是否加入被測序列；GPIOC寄存器選擇8位通用輸入／輸出引腳GPIO7～GPIO0用作輸出還是輸入；而GPIOD寄存器則反映了當前引腳的狀態(tài)值；ID寄存器中存儲廠家設定的芯片信息，只可讀。
    硬件連接原理圖如圖5所示，GS1011通過SPI接口與ADS1258進行通信。利用GS1011的通用輸入／輸出引腳GPIOB0為ADS1258提供復位信號，借助于GS1011的SPISTEA引腳提供模／數(shù)轉(zhuǎn)換啟動信號，兩者之間采用3線制(時鐘信號線、數(shù)據(jù)輸入線與數(shù)據(jù)輸出線)SPI通信方式，ADS1258丁作于SPI通信從模式下，且始終處于被選中狀態(tài)。

    ADS1258的模／數(shù)轉(zhuǎn)換過程如下：控制引腳START上的正脈沖啟動一次模／數(shù)轉(zhuǎn)換，當該次轉(zhuǎn)換結(jié)束時，數(shù)據(jù)準備好引腳輸出低電平信號，提示可以提取采樣數(shù)據(jù)，同時自動將多路轉(zhuǎn)換器的采集通道切換到下一個輸入電壓端口，等待新一輪模／數(shù)轉(zhuǎn)換的啟動。本系統(tǒng)中，將數(shù)據(jù)準備好的信號作為GS1011的一個外部中斷源，可通過外部中斷服務程序來讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。
    ADS1258在SCLK引腳的上升沿從DIN引腳輸入數(shù)據(jù)，在SCLK引腳的下降沿從DOUT引腳輸出數(shù)據(jù)，但無論輸入還是輸出數(shù)據(jù)，總是先從最高位MSB開始?？刂茀?shù)可通過寫寄存器命令一次性順序?qū)懭?，其命令的第一個字節(jié)格式為：0111xxxxb。其中，前3位“011”表示該條指令為寫寄存器命令；左數(shù)第4位為“1”時表示該條指令對多個寄存器進行寫操作；“xxxx”代表被寫的第一個寄存器的芯片內(nèi)部地址。
2．2 系統(tǒng)工作
    在系統(tǒng)中，監(jiān)護病人的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳到監(jiān)護基站，并由基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC，醫(yī)生或護士可以通過PC獲得病人的生理數(shù)據(jù)，對監(jiān)護病人作出及時處理。系統(tǒng)主要由監(jiān)護基站、路由節(jié)點和無線節(jié)點組成。系統(tǒng)中的生物信號采集包括人體生理信號，如體溫、血壓、脈搏、心電等，通過傳感器采集。接著再通過模／數(shù)轉(zhuǎn)換器把人體生理參數(shù)的模擬信號轉(zhuǎn)化為待處理的數(shù)字信號。當醫(yī)生和護士離崗時，相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過Wi—Fi無線方式傳輸發(fā)送到手持PDA上，醫(yī)生和護士能及時掌控患者的詳細數(shù)據(jù)信息。
    系統(tǒng)采集各種信息，并進行處理，再以無線方式傳送給用戶終端。而Wi—Fi技術(shù)保障設備之間可以自由直接地進行通信，也可以在基站或者訪問點的協(xié)調(diào)下進行通安裝在企業(yè)和家庭中的網(wǎng)絡進行無縫連接，而且還具有更好的安全性和系統(tǒng)的可擴展性。系統(tǒng)連接步驟如下：
    ①用病人身上佩帶的檢測儀獲取病人的生物信號，并將數(shù)據(jù)傳給處理器進行處理。
    ②驅(qū)動Wi—Fi模塊，使其能夠通過無線接入點(Access Point，AP)聯(lián)入局域網(wǎng)，然后將數(shù)據(jù)交給Wi—Fi模塊傳入局域網(wǎng)。此部分是關(guān)鍵性的一步，在系統(tǒng)中Wi—Fi是負責數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K，要實現(xiàn)實時的傳輸，必須首先驅(qū)動Wi-Fi模塊，使其能掃描到AP的信息，并且順利加入AP所在的局域網(wǎng)內(nèi)。
    ③通過Wi-Fi模塊與局域網(wǎng)中的服務器建立好socket通信模式，將得到的心電數(shù)據(jù)上傳至服務器，最后在服務器端解析，得到所需要的生物信息。

3 系統(tǒng)軟件設計
3. 1 軟件平臺
    該系統(tǒng)的軟件設計是基于GreenHills公司開發(fā)的uVelOsity實時操作系統(tǒng)，在MULTI集成開發(fā)環(huán)境下完成。同時，利用Gain Span公司提供的GS1011芯片功能接口軟件庫，完成本系統(tǒng)中的相關(guān)應用設計。
    實時操作系統(tǒng)uVelOsity運行于應用處理器之上，介于底層驅(qū)動和上層應用之間，用于實現(xiàn)任務調(diào)度、進程管理、定時器中斷和內(nèi)存管理等功能。
3．2 GS1011應用程序設計
    GS1011的應用程序主要包括4個部分：加入WLAN、與ADS1258的通信、數(shù)據(jù)處理和發(fā)送、功耗管理。
    GS1011與AP連接需3個步驟：掃描、連接、認證。GS1011首先向周圍發(fā)送一個搜索數(shù)據(jù)包，如果周圍存在AP，那么收到搜索數(shù)據(jù)包的AP就會發(fā)出一個應答包。收到由AP發(fā)來的應答包之后，GS1011會發(fā)出一個連接請求包與該AP進行連接，收到連接請求包之后，AP也會發(fā)出一個應答包。最后，GS1011與AP之間根據(jù)已設定好的協(xié)議進行認證，通過之后即完成了加入WLAN的過程。
    GS1011通過SPI接口讀寫ADS1258上的寄存器，對ADS1258進行控制。GS1011的SPI接口信號有4個：片選信號mspi_csn、時鐘信號mspi_clk、數(shù)據(jù)輸入信號mspi_din、數(shù)據(jù)輸出信號mspi_dout。由于在該系統(tǒng)中，ADS1258無法控制何時開始傳輸，只能工作在從模式下。
通過SPI接口進行通信時，必須保持片選信號mspi_csn為低電平。引腳用于表明轉(zhuǎn)換是否完成，引腳為低時，表明轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，可以直接通過通道讀取數(shù)據(jù)。在mspi_clk的下降沿，系統(tǒng)通過mspi_din向ADS1258發(fā)送數(shù)據(jù)；在mspi_clk的上升沿，通過mspi_dout從ADS1258讀取數(shù)據(jù)。
    當采集到的數(shù)據(jù)達到一定數(shù)量時，GS1011將存儲器中的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存中進行相應的處理后，通過TCP或UDP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到AP，當數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，且GS1011沒有收到任何命令時，功耗管理線程就會啟動，進入低功耗模式。

4 實驗結(jié)果
    在服務器端與客戶端都設置好了之后，就可以進行信號的采集與傳輸了。圖6所示為對某實驗對象的心電信號經(jīng)解壓后在服務器端顯示的圖形。

    該系統(tǒng)的生物信號采集與傳輸速率最大能到11 Mbps，完全能滿足各種生物信號文件傳輸要求。在AP為中心的50 m內(nèi)，信號都能滿足實時傳輸速率要求。對于AP的切換，在模塊的自動聯(lián)網(wǎng)下，重新掃描網(wǎng)絡大概在300 ms內(nèi)，連接認證在100 ms內(nèi)，整個過程花費不到0．5 ms。若我們在每個AP所在的網(wǎng)內(nèi)都設置好服務器，所得到的生物數(shù)據(jù)不會有很大的誤差。

結(jié)語
    本文在分析生物信號采集系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)配合Wi—Fi無線網(wǎng)絡以及上位機操作軟件，大大提升了便利性和可擴展性。后期研究重點將解決數(shù)據(jù)信息在無線網(wǎng)絡傳遞中的安全問題，以及偏向上位機編程(如C++等)，在應用層上豐富和完善系統(tǒng)。