無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn)

1、無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn) 摘要 胎兒監(jiān)護是保障產(chǎn)婦和胎兒安全、實現(xiàn)優(yōu)生優(yōu)育的重要手段,胎心率電子監(jiān)護是目前在臨床上使用昀廣泛的胎兒監(jiān)護方法之一。傳統(tǒng)胎兒監(jiān)護儀都是通過有線電纜將監(jiān)護探頭連接到監(jiān)護儀主機上,這些連接導線的纏繞給孕婦帶來了很大的不便和不適,嚴重時甚至影響孕婦的心理和生理,也不適合孕婦長時間的監(jiān)護以及水下分娩等特殊情況。而且目前的胎兒監(jiān)護儀只能實現(xiàn)一對一的監(jiān)護,使得醫(yī)生和電子監(jiān)護儀的工作效率都不能得到有效提高。因此,如何通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)孕婦與監(jiān)護儀主機之間的有效連接,同時擴展為多通道,實現(xiàn)一臺監(jiān)護儀同時監(jiān)護多個孕婦,提高監(jiān)護效率,是本文主要的研究內(nèi)容。 本文研究比較了當前

2、多種近距離無線通訊技術(shù),根據(jù)低功耗和小型化的要求,本系統(tǒng)采用Nordic公司的nRF24E1芯片實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信,該芯片具有集成度高,外圍器件少的特點。本文先介紹了基于nRF24E1的單通道無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng),并在其基礎(chǔ)上設(shè)計了多通道監(jiān)護系統(tǒng),然后研究了無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)各個模塊的工作原理、多通道監(jiān)護的實現(xiàn)以及相應的軟件系統(tǒng),具體包括:(1)以nRF24E1 芯片作為多通道無線通信系統(tǒng)核心,解決了體積小、成本低和阻抗匹配等問題;(2)收發(fā)軟件采用呼叫?應答機制,保證通信的可靠性;(3)以W77E58為下位機的主模塊,利用它的兩個全雙工串口,一個串口連接上位機,另一串口通過四選一開關(guān)CD4052,來

3、實現(xiàn)PC機與多個無線接收模塊的數(shù)據(jù)的傳輸。并設(shè)計了它們之間的通信協(xié)議;(4)建立測試軟件平臺,對硬件設(shè)計進行測試,以保證系統(tǒng)的準確性和可靠性;(5)將傳統(tǒng)監(jiān)護儀主機轉(zhuǎn)換為PC機的形式,可更好地實現(xiàn)胎兒生理信息的顯示以及孕婦檔案的存儲、打印等多種功能。 本無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)已經(jīng)通過了初步臨床小樣本測試階段,但還需進一步的臨床大樣本的檢測。 關(guān)鍵詞:無線胎兒監(jiān)護儀 多通道 胎兒監(jiān)護 無線通信 nRF24E1 W77E58 IABSTRACT Fetal monitoring is an important measure to keep pregnant women and fetuses heal

4、thyElectronic fetal heart rate monitoring is one of the clinical measures most widely used. Probes of traditional fetal monitor are connected to monitor host by electric cables. But entangling of those electric cables brings huge inconvenience and serious psychological influence to pregnant women, a

5、nd it is disagree with special cases such as long time monitoring and underwater delivery, etc. In addition, one to one monitoring of current fetal monitor leads to low efficiencyTherefore, the major content of this paper is to realize Multi-channel Cordless Fetal Monitor System, which can monitor f

6、our pregnant women simultaneouslyBy comparing multiple short-distance wireless communication technologies, nRF24E1 chip of Nordic company is determined as the communication module in this paper. The hardware and software of Multi-channel Cordless Fetal Monitor System are designed basing on single ch

7、annel system. The tasks in this paper are as followings: The requirement of low power and miniaturization can be satisfied by using nRF24E1 as wireless communication module The SEND-ACK mode is used in the communication software , and it is benefit to the reliability of the system Data transmission

8、between PC host and four cordless receiver modules is realized by two full-duplex serial ports of W77E58 Test software platform is established for hardware to ensure its reliability Traditional monitor host is converted to new form based on PC, so the monitoring system can realize better display, fi

9、le storage and printing functions Preliminary clinical tests with small sample have been taken by this cordless fetal monitor system. Nevertheless further tests with large sample should be continuing Key words: Cordless Fetal Monitor; Multi-channel ; Fetal Monitor ; Wireless Communication Technology

10、; nRF24E1; W77E58II目錄 摘要. I ABSTRACT.II 第一章 緒論.1 1.1 引言1 1.2 胎心監(jiān)護的發(fā)展歷程.2 1.3 無線胎兒監(jiān)護的發(fā)展和意義.3 1.4 本文的選題依據(jù)、意義及主要工作內(nèi)容4 第二章 單通道無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng).6 2.1 當前幾種近距離無線通信技術(shù)比較.6 2.2 無線通信方案和無線芯片的選擇8 2.3 基于 nRF24E1的單通道無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng). 11 2.3.1 概述 11 2.3.2 探頭的設(shè)計12 2.3.3 基座的設(shè)計15 2.4 單通道無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)與臨床測試.16 2.4.1無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)的安裝.16 2.4.2 無線胎兒

11、監(jiān)護系統(tǒng)的測試17 2.4.3 無線胎兒監(jiān)護探頭系統(tǒng)的臨床測試.18 2.5 本章小結(jié).19 第三章 多通道無線胎兒監(jiān)護儀系統(tǒng).20 3.1 多通道無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計思路和整體方案20 3.1.1 設(shè)計思路.20 3.1.2 整體方案.20 3.2 無線接收板.23 3.2.1 主要 IC簡介.23 3.2.2 主要電路實現(xiàn).26 III3.3.1 主要 IC簡介.34 3.3.2 主要電路實現(xiàn).36 3.4 硬件測試.39 3.5 本章小結(jié).40 第四章 軟件設(shè)計.41 4.1 無線接收板的軟件設(shè)計.41 4.1.1 nRF24E1收發(fā)模塊的工作方式.41 4.1.2 音頻數(shù)據(jù)包的接收4

12、2 4.2 接口轉(zhuǎn)換板的軟件設(shè)計.45 4.2.1 接口轉(zhuǎn)換板的工作流程.45 4.2.2 通信協(xié)議.46 4.3 PC機軟件設(shè)計.49 4.3.1 設(shè)計思路.49 4.3.2 軟件系統(tǒng)主界面.49 4.3.3 參數(shù)設(shè)置模塊.50 4.3.4 檔案管理模塊.52 分析系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)指標.53 4.3.6 評分法分析59 4.4 軟件測試數(shù)據(jù)60 4.5 本章小結(jié).63 第五章 結(jié)論與展望64 5.1 全文總結(jié).64 5.2 問題及展望.64 參考文獻66 致謝.69 IV暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn) 第一章 緒論 1.1 引言 胎兒監(jiān)護fetal surveillance是采

13、用生物物理和生物化學的手段,對胎兒宮內(nèi)發(fā)育和安危狀況進行評價的方法。胎兒心臟是供給全身氧和營養(yǎng)的器官,其活動維護全身的恒定性,并直接或間接接收血液運行動態(tài)變化和激素等體液的調(diào)節(jié),此外還受腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)的支配,這一切均反映在胎心率的變化上。監(jiān)測胎心率及其變化是診治胎兒狀況昀簡便的方法。 所謂胎兒監(jiān)護,包括檢驗手段和電子儀器監(jiān)測兩方面。確切地說,電子儀器監(jiān)測還可以分為圖象觀察(如B超胎盤分級)以及功能監(jiān)護(如胎心率監(jiān)護FHR MONITORING)。在臨床應用中,顯然圖象不如功能更能實時地說明問題,因此,胎心率監(jiān)護得到了普遍重視和應用。傳統(tǒng)的胎兒監(jiān)護多指胎心率電子監(jiān)護(Electronic Fet

14、al Heart Rate Monitoring,EFM)或胎心宮縮監(jiān)護cardiotocography,CTG。隨著科學技術(shù)不斷發(fā)展,如電子監(jiān)護技術(shù)、超聲技術(shù)、影像學監(jiān)護技術(shù)、胎兒血檢測技術(shù)、羊水檢測技術(shù)等,使胎兒監(jiān)護的方法也越來越多。多種方法的結(jié)合應用可以全面地預測和了解胎兒安危及生長狀況、胎盤功能及胎兒成熟度,從而減少死胎和不必要的人為干預。今天,胎心率的觀察,早已從僅僅為了推知胎兒生死的時代,進入到診斷胎兒的儲備能力和胎兒健康狀況的時代。健康的胎兒隨子宮內(nèi)環(huán)境的不同,時刻發(fā)生著細微的變化,而儲備能力差的胎兒有些能力則表現(xiàn)不出來。胎心率的變化是中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常調(diào)節(jié)機能的表現(xiàn),因此,與其說

15、胎心率監(jiān)護是診斷胎兒心臟機能,還不如認為它是診斷胎兒各中樞神經(jīng)系統(tǒng)的機能。胎兒中樞神經(jīng)系統(tǒng)是對子宮內(nèi)環(huán)境惡化昀缺少儲備能力的臟器,即昀缺乏對低氧的耐受力,而且它一次受損會留下終身后遺癥,故胎兒心率監(jiān)護在胎兒診斷學中占有重要的地位。 胎心率電子監(jiān)護可以分為腹壁外監(jiān)護和宮腔內(nèi)監(jiān)護兩種類型。腹壁外監(jiān)護又稱間接監(jiān)護或非侵入性監(jiān)護。探測胎心的多普勒超聲探頭及感知宮底緊張度的宮縮傳感器分別縛于孕婦腹前壁,經(jīng)腹壁記錄胎心率和宮縮壓力;宮腔內(nèi)監(jiān)護又稱直接監(jiān)護或侵入性監(jiān)護。傳感器包括直接監(jiān)測宮腔內(nèi)壓力的開放型羊膜腔測壓導管以及探測胎心的胎兒頭皮電極,能直接反映宮縮強度及測得心電圖。內(nèi)監(jiān)護受到的干擾因素少,測定準

16、確可靠,但是內(nèi)監(jiān)護必須在產(chǎn)時宮內(nèi)擴張、胎膜破裂后才能應用。腹壁外監(jiān)護方式由于具有無損傷性、操作簡便、靈敏度高等優(yōu)點而得到了廣泛應用。 1暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn)1.2 胎心監(jiān)護的發(fā)展歷程一直以來,公認胎心率Fetal Heart Rate, FHR在胎兒診斷學中占有頭等重要地位。FHR說明心功狀態(tài),心功受中樞神經(jīng)調(diào)節(jié),所以胎兒監(jiān)護圖形,就是對胎兒中樞神經(jīng)狀態(tài)的昀好說明。因此,胎心監(jiān)護成為產(chǎn)科工作者研究的重要課題。胎心監(jiān)護的發(fā)展可大致分12為兩個階段 。 一、聽數(shù)胎心音監(jiān)護法 1650年法國人Marsac提出,胎兒在子宮內(nèi)有胎心音存在。1818年法蘭西的瑞士醫(yī)生Mayor

17、用耳朵直接從腹部聽到胎心音。1819年法國人Laennec發(fā)明了木制鐘式聽診器。1821年用于臨床監(jiān)聽胎心音,于是對胎心音有了進一步了解,為后來的胎心監(jiān)護發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1822年Kergaradec發(fā)表論文,闡述用聽診器診斷妊娠及觀察胎兒異常,遂使胎心音聽診在歐美普及開來。1833年Kennedy的胎心音聽診一書出版,比較詳細地闡述了胎心音聽診的方法及臨床意義,并提出胎頭或臍帶受壓會影響胎心率,第一個明確指出宮縮后FHR下降是危險征兆。1893年Winkel提出胎兒窘迫標準是FHR160bpm為心動過速,FHR100bpm為心動過緩以及胎心率不規(guī)律和胎便出現(xiàn)等。 在以后的很多年里, 聽診F

18、HR成為指導產(chǎn)科臨床的重要依據(jù),并發(fā)揮了重要作用。但是,隨著科學的發(fā)展及經(jīng)驗的積累,發(fā)現(xiàn)聽診不能滿足現(xiàn)代優(yōu)生的要求,這是因為: 單純靠間斷聽診,無法得到長時間連續(xù)不斷的動態(tài)資料及細微變化;由于聽診時間不同,或醫(yī)生聽數(shù)有誤,會造成人為的錯誤;宮縮時因子宮肌層聲阻抗增加,聽不到胎心音。于是,聽數(shù)胎心音監(jiān)護法受到了新的挑戰(zhàn)。 二、胎心率電子儀器監(jiān)護法 1906年Gremer首先經(jīng)腹壁記錄到胎兒心電,但未用于產(chǎn)科臨床。1923年Schaeffer用胎心音電子裝置對產(chǎn)婦進行連續(xù)的胎心音觀察。1957年Edward Hon進行胎兒心電圖的研究,闡述了胎心率變化與宮縮的關(guān)系,開創(chuàng)了以腹壁誘導胎兒心電法監(jiān)測F

19、HR的方法。 1960年以后,Edward Hon、Caldeyro-Barcia、Hammacher等競相報告有關(guān)胎心率圖的研究。1964年超聲多普勒Doppler效應被用于婦產(chǎn)科臨床,在檢測FHR方面取得成功,這為胎兒監(jiān)護儀的普及提供了技術(shù)條件。1965年Edward Hon應用胎兒頭皮電極成功,成為胎兒直接心電監(jiān)護內(nèi)監(jiān)護 的先驅(qū)者,該方法為FHR監(jiān)護的理論研究創(chuàng)造了科學條件。 1968年第一次歐洲圍產(chǎn)醫(yī)學會在柏林召開,對胎兒監(jiān)護胎心率電子監(jiān)護儀進行了討論與肯定。1971年11月及1972年3月分別召開了胎兒監(jiān)護儀規(guī)格化及用語統(tǒng)一化的國際會2暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn)

20、 議,從此大批通用胎兒監(jiān)護儀投放市場,普及于各發(fā)達國家。進入20世紀7080年代,因集成電路及電腦技術(shù)的發(fā)展,使檢拾胎心信號的方法、自動分析及儀器的自動控制更加理想,且形成了一套完整的臨床應用理論,胎心率電子監(jiān)護逐步代替了傳統(tǒng)的聽診方法。胎兒監(jiān)護儀成為產(chǎn)科工作不可缺少的儀器。在發(fā)達國家中, 有的?？漆t(yī)院已達到每張產(chǎn)科床配有一臺胎兒監(jiān)護儀,或設(shè)有胎兒監(jiān)護中心,以便確保對所有孕產(chǎn)婦隨時進行監(jiān)護。 我國在20世紀70年代末引進使用胎兒監(jiān)護儀,80年代初已設(shè)計制造出小批量產(chǎn)品。發(fā)展到現(xiàn)在,國內(nèi)已有多家胎兒監(jiān)護儀生產(chǎn)廠,儀器型號不同,性能各異?？h市級以上的醫(yī)院大都購置了該設(shè)備, 胎心率電子監(jiān)護正逐漸向更

21、基層的醫(yī)院普及。 1.3 無線胎兒監(jiān)護的發(fā)展和意義 對胎兒的監(jiān)護主要包括三個內(nèi)容:胎兒心率(FHR)、宮縮壓力(TOCO)、胎動標記(FM)。一般的常規(guī)胎心監(jiān)護時間要在20分鐘以上;若在分娩過程中,胎心音監(jiān)護會一直持續(xù)到分娩結(jié)束;對于異?；蚋呶．a(chǎn)婦,則需要更長時間的不間斷監(jiān)護。傳統(tǒng)的胎兒監(jiān)護儀通過超聲多普勒探頭來檢測胎心率信號,通過宮縮壓力傳感器來檢測孕婦的宮縮信號,通過胎動標記按鈕來記錄胎動事件,但這些探頭和傳感器等都是通過有線電纜實現(xiàn)孕婦與監(jiān)護儀主機的連接。這些纏繞的電纜對長時間的胎兒監(jiān)護帶來諸多不便。因此,無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)具有十分重要的臨床價值和廣闊的市場前景,也是胎兒監(jiān)護儀的發(fā)展方向。

22、 目前,在傳統(tǒng)電子胎兒監(jiān)護儀的基礎(chǔ)上擴展無線功能,將無線通信技術(shù)運用到胎兒監(jiān)護設(shè)備中,出現(xiàn)無線胎兒監(jiān)護儀。消除了導線纏繞給孕婦和醫(yī)護人員帶來的不便,也解決了電纜維修成本等問題。 在國外,世界領(lǐng)先的醫(yī)療器械制造商,如飛利浦、GE、牛津等都相繼在20032004年間推出了無線胎兒監(jiān)護探頭。國內(nèi),廣州三瑞醫(yī)療器械也推出了無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)。以下是這幾家公司的無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)圖示。圖1.1 飛利浦的Avalon CTS無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)3暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn)圖1.2 GE的Corometrics 340M無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)圖1.3 廣州三瑞公司的無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)SRF618B 1

23、.4 本文的選題依據(jù)、意義及主要工作內(nèi)容 目前胎兒監(jiān)護儀存在的問題有: (1)由于懷孕期孕婦需要長時間進行監(jiān)護,所以希望能在一個比較自由、舒適的環(huán)境中進行,而導聯(lián)線的纏繞對孕婦產(chǎn)生不便和不適,甚至影響孕婦的心理;另外在分娩過程中,產(chǎn)婦的運動、體位的變化將拉扯監(jiān)護儀的導聯(lián)線導致探頭與產(chǎn)婦接觸不良或產(chǎn)生位置偏差,從而影響監(jiān)護參數(shù)。特別在長時間監(jiān)護的水中分娩的時候,這些缺點尤其明顯。 (2)現(xiàn)在醫(yī)院使用的胎兒監(jiān)護儀數(shù)量多,但醫(yī)生或護士一次只能監(jiān)測一個病人,不能同時監(jiān)測多個病人,監(jiān)測效率低。而目前市場上的中央監(jiān)護系統(tǒng)雖已實現(xiàn)同時監(jiān)護多個孕婦,但仍存在“有形”導聯(lián)線,使得在系統(tǒng)應用中存在布線困難,也給系

24、統(tǒng)的攜帶或移動帶來很大的不便。另外電纜線在使用中還存在易損壞、維護困難、成本高等缺點。把數(shù)字無線通信技術(shù)運用到胎兒心率監(jiān)護設(shè)備中,使各探頭與主機間實現(xiàn)無線連接,不但免除了各種連線在產(chǎn)婦身上纏繞所帶來的不便,還可以解決病房內(nèi)導線過多、妨礙醫(yī)護人員走動和工作的問題,更有利于產(chǎn)婦的移動和緊急情況的處理。但現(xiàn)有的無線探頭系統(tǒng)僅為原有的普通胎兒監(jiān)護儀的擴展部件,需配合普通胎兒監(jiān)護儀使用,即每臺胎兒監(jiān)護4暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn) 儀均需另配置一套無線探頭系統(tǒng),成本高昂。尤其是在醫(yī)院產(chǎn)科門診環(huán)境中,由于空間有限,上述問題尤為嚴重,這些都極大地限制了無線探頭系統(tǒng)的使用。鑒于目前胎兒監(jiān)護

25、儀存在的主要問題,本論文做了以下工作: (1)通過調(diào)研,了解目前市場上胎兒監(jiān)護儀存在的問題,以及目前正在使用或正在研究中的無線胎兒監(jiān)護儀的現(xiàn)狀。 (2)在調(diào)研、比較多種短距離數(shù)字無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上,確定本系統(tǒng)所采用的無線通信方案以及無線芯片。 (3)實現(xiàn)PC機與多個無線接收模塊的數(shù)據(jù)傳輸和控制,在PC機平臺上來實現(xiàn)一臺監(jiān)護主機同時監(jiān)護多個孕婦。(4)將傳統(tǒng)的胎兒監(jiān)護儀改為PC機的形式。依托PC機的強大功能,建立支持多通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖脚_,接收多通道的數(shù)據(jù)信息,實現(xiàn)胎兒監(jiān)護的單通道或多通道數(shù)據(jù)顯示、處理、存儲、打印等功能;并建立了基本分析模塊,對CTG曲線進行評分、分析等。 (5)設(shè)計硬件測

26、試程序,對硬件設(shè)計進行測試,以保證硬件設(shè)計在整個系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合工作時的可靠性。 (6)對所設(shè)計的無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)進行小樣本的臨床檢驗。 本文的新穎性有: (1通過多種數(shù)字無線通信技術(shù)的比較研究,采用nRF24E1芯片來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信,成功地克服了傳統(tǒng)胎兒監(jiān)護儀有線連接的束縛。 (2實現(xiàn)了PC監(jiān)護主機與四個無線接收模塊的數(shù)據(jù)傳輸和控制,在PC平臺上設(shè)計了“一對四”多通道無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)。 5暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn) 第二章 單通道無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng) 鑒于傳統(tǒng)有線胎兒監(jiān)護儀對孕婦的束縛,出現(xiàn)了應用短距離數(shù)字無線通信技術(shù)實現(xiàn)信號采集探頭與胎兒監(jiān)護儀之間無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線胎兒

27、監(jiān)護儀。下面,首先對多種近距離數(shù)字無線通信傳輸技術(shù)進行比較,確定本論文所選用的芯片和無線通信方案,并對其通信距離等進行了測試,然后介紹單通道無線胎兒監(jiān)護儀的工作原理。 2.1 當前幾種近距離無線通信技術(shù)比較 隨著無線通信設(shè)備的迅速增長,各種短距離無線通信技術(shù)也得到了廣泛的發(fā)展。目前,短距離無線通信技術(shù)的實現(xiàn)技術(shù)主要有藍牙技術(shù)(Bluetooth)、紅外數(shù)據(jù)傳輸(IrDA)、無線局域網(wǎng)802.11(Wi-Fi)技術(shù)、低功率近距離無線通信技術(shù)(NFC)、ZigBee和超寬帶3技術(shù)(UWB)六種 。下面分別介紹這幾種無線通信技術(shù)。 1. 藍牙技術(shù)(Bluetooth) 藍牙技術(shù)是1994年由愛立信公

28、司首先提出的一種短距離無線通信技術(shù)規(guī)范。 藍牙技術(shù)的特點包括:采用跳頻技術(shù),數(shù)據(jù)包短,抗信號衰減能力強;采用快速跳頻和前向糾錯方案以保證鏈路穩(wěn)定,減少同頻干擾和遠距離傳輸時的隨機噪聲影響;使用2.4GHz ISM頻段,無須申請許可證,提供1Mbps的傳輸速率和10米的傳輸距離;可同時支持數(shù)據(jù)、音頻、視頻信號;采用FM調(diào)制方式,降低設(shè)備的復雜性。 但藍牙技術(shù)昀大的缺點是過于昂貴,突出表現(xiàn)在芯片大小和價格難以下調(diào)、抗干擾能4-9力不強、傳輸距離太短、信息安全問題等。 2. IrDA IrDA技術(shù)是第一個實現(xiàn)無線個人局域網(wǎng)(PAN)的短距離無線傳輸技術(shù),其軟硬技術(shù)都比較成熟。它采用人眼看不到的紅外光

29、傳輸信息,利用紅外光的通斷表示計算機中的0-1邏輯,通常有效作用半徑為2米,發(fā)射角一般不超過20度,傳統(tǒng)速度可達4Mbit/s, 1995年IrDA(InfraRed Data Association)將通信速率擴展到16Mbit/s。 IrDA的主要優(yōu)點是無需申請頻率的使用權(quán),因而紅外通信成本低廉,價格便宜,同時它采用點到點的連接方式,具有方向性,數(shù)據(jù)傳輸干擾少,速度快,保密性強,因此廣泛應用于各種遙控器,筆記本電腦,PDA,移動 等移動設(shè)備。但紅外技術(shù)只限于兩臺設(shè)備通訊,無法靈活構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),而且紅外技術(shù)只是一種視距傳輸技術(shù),傳輸數(shù)據(jù)時兩個設(shè)備1011之間不能有阻擋物,有效距離小,且無法用于邊

30、移動邊使用的設(shè)備。6暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn) 3. Wi-Fi技術(shù) Wi-Fi(Wireless Fidelity,無線高保真)是無線局域網(wǎng)(WLAN)的一種,正式名稱是IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers802.11。Wi-Fi昀高速率可達 11Mb/s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍牙技術(shù)要差一些,但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌,可達100m左右。 Wi-Fi的主要特點是傳輸速率高、可靠性高、建網(wǎng)快速、便捷、可移動性好、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)彈性化、組網(wǎng)靈活、組網(wǎng)價格較低等。目前這一技術(shù)的用戶主要來自機場、酒店、

31、商場等公共熱點場所。Wi-Fi技術(shù)可將Wi-Fi與基于XML或Java的Web服務融合起來,可以大幅度減少企業(yè)的成本。例如企業(yè)選擇在每一層樓或每一個部門配備802.11b的接入點,而不是采1112用電纜線把整幢建筑物連接起來。這樣一來,可以節(jié)省大量鋪設(shè)電纜所需花費的資金。 4. NFC技術(shù) 它一般使用數(shù)字信號單片射頻收發(fā)芯片,加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線通信模塊,一般射頻芯片采用FSK調(diào)制方式,工作于ISM頻段。通信模塊一般包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議,用戶不用對無線通信原理和工作機制有較深的了解,只要依據(jù)命令字進行操作即可實現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。因其功率

32、小,開發(fā)簡單快速而應用廣泛,但數(shù)據(jù)傳輸速度、流量都較小,較適合搭建小型網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)、民用領(lǐng)域使用較廣。在此類眾多的芯片中,較典型的有Nordic公司生產(chǎn)的nRF24E1芯片與TI公司的CC1100芯片。 無線產(chǎn)品。nRF24E1為2.4GHz全球開放頻段產(chǎn)品,采用0.18um工藝設(shè)計,具有高集成度和極具競爭力的成本優(yōu)勢;它是真正的SOC單片系統(tǒng),只有兩個外圍元件(一個晶體和一個電阻),是業(yè)界外圍元件昀少的單片無線收發(fā)芯片;內(nèi)置硬件 CRC檢錯電路和多址通信控制,減少軟件開銷;nRF24E1的優(yōu)異性能可應用在無線標簽、無線終端、無線耳機、無線13鼠標、無線鍵盤、Joystick等產(chǎn)品設(shè)計,在大多

33、數(shù)場合可以替代藍牙的設(shè)計 。 而TI公司的CC1100是一種低成本真正單片的UHF收發(fā)器,為低功耗無線應用而設(shè)計。電路主要設(shè)定在315、433、868和915MHz的ISM(工業(yè),科學和醫(yī)學)和SRD(短距離設(shè)備)頻率波段,也可以容易地設(shè)置為300348MHz、400464MHz和800928MHz的其它頻率。 RF收發(fā)器集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。這個調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式,其數(shù)據(jù)傳輸率可達500kbps。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(FEC),能使性能得到提升。CC1100為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連7暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護

34、儀的多通道實現(xiàn) 接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。CC1100的主要操作參數(shù)和64位傳輸/接收FIFO(先進先出堆棧)可通過SPI接口控制。在一個典型系統(tǒng)里,CC1100和一個微控制器14及若干被動元件一起使用 。 5. ZigBee ZigBee主要應用在短距離范圍之內(nèi)并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。它使用2.4Ghz波段(歐洲)及915MHz波段(美國),采用跳頻技術(shù)。與藍牙相比,ZigBee更簡單、速率更慢、功率及費用也更低(因為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低,協(xié)議簡單,所以大大降低了成本)。它的基本速率是250kb/s,有效覆蓋范圍1075m之間,當速率降低到28kb/s時

35、,傳輸范圍可擴大到134m,并獲得更高的可靠性。另外,它可與254個節(jié)點聯(lián)網(wǎng),可以比藍牙更好地支持游戲、消費電子、儀器和家庭自動化應用。人們期望能在工業(yè)監(jiān)控、傳15-17感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)和玩具等領(lǐng)域拓展ZigBee的應用。 6. UWB UWB(Ultra Wide Band,超寬帶無線技術(shù))又稱脈沖無線電(Impulse Radio)技術(shù)。與傳統(tǒng)通信技術(shù)不同的是,UWB是一種無載波通信技術(shù),即它不采用載波,而是利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù),因此其所占的頻譜范圍很寬。美國FCC對UWB的規(guī)定為:在3.110.6GHz頻段中占500MHz以上的帶寬。 UWB技術(shù)具有系統(tǒng)復

36、雜度低,發(fā)射信號功率譜密度低,對信道衰落不敏感,低截獲能力,定位精度高等優(yōu)點,尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入,非常適于建立18-21一個高效的無線局域網(wǎng)或無線個域網(wǎng)(WPAN)。 2.2 無線通信方案和無線芯片的選擇 無線通信方案的選擇主要從以下幾方面考慮:通信距離、通信速率、尺寸與功耗、工22233作頻段、開發(fā)難易和成本 ,上節(jié)所介紹的六種無線通信技術(shù)的性能比較見表2.1。 表2.1 六種近距離無線通信技術(shù)的比較技 NFC 術(shù) IrDA Bluetooth Wi-Fi ZigBee UWB 指 標 nRF24E1 CC1100 10m通信距離 定向1m 10m100m 標稱100

37、m 標稱200m 1075m 10m 100m 通信速率 16Mbps 1Mbps 11Mbps 1Mbps 500Kbps 250Kbps 480Mbps8暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn) 北美300348MHz 2.4GHz和 3.1GHz 工作頻段 紅外線 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 400464MHz 915MHz;歐 10.6GHz 800928MHz 洲868MHz 尺寸功耗 中 中 高 低 低 很低 中 開發(fā)難易 易 難 難 易 易 未成熟 未成熟 價格 較低 高 高 低 低 低 較低 從上表可以看出,低功率近距離無線通信(NFC)技術(shù)可以較好地滿足

38、要求。在廣州三瑞公司的單通道無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)SRF618B中,采用了該技術(shù)的代表芯片nRF24E1。在本論文的調(diào)研過程中,將該技術(shù)的另一個代表性芯片CC1100與nRF24E1的性能作了比較2425,以確定昀終采用的芯片,見表 2.2。 表2.2 CC1100 與 nRF24E1 相關(guān)性能比較 性能指標 CC1100 nRF24E1 1.83.6V 所有供給引腳必須工作電壓 1.9V3.6V 有相同的電壓 工作溫度范圍 -4085 -4085 可編程控制的輸出功率,對所昀大 RF 發(fā)射功率 0dBm 有的支持頻率可達+10dBm 1.2kbps 下-110dBm,1%數(shù)據(jù)RF 接收端靈敏度 -

39、90dBm 包誤差率 可編程控制的數(shù)據(jù)傳輸率,可昀大 RF 傳輸數(shù)據(jù)率 昀高1000 Kbps 達 500kbps 在433MHz發(fā)射頻率下,28.8mA +10dBm輸出功率 5 dBm 輸出功RF 發(fā)射電流 19.3 mA -5dBm 發(fā)射功率下,10.5 mA率 0 dBm 輸出功16.1 mA 率 -10 dBm 輸出14.3 mA 功率 433MHz, 250kbps,輸入16.5mA 在靈敏度限制RF 接收電流 內(nèi) 18 mA 250kbps,輸入高于靈敏度限 15.5 mA 制30dB 數(shù)字部分的電壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉,省電模式下供電電流 寄存器值保持,低功率RC 振蕩 2 uA 器工作

40、900nA9暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn) CPU 昀大的時鐘頻率 16MHz 20 MHz QFN6×6mm)封裝,36 腳;采封裝 QLP 4×4mm封裝,20腳 m的CMOS技術(shù)制造;300348 MHz、400464 MHz發(fā)射頻率 2.4GHz 和 800928 MHz 極少的外部元件:芯片內(nèi)頻率 完全集成的頻率合成器,功率外設(shè)電路 合成器,不需要外部濾波器或 放大器,一個調(diào)制器以及兩個RF 轉(zhuǎn)換 接收單元 對數(shù)據(jù)包導向系統(tǒng)的靈活支 數(shù)據(jù)包由前導碼,發(fā)送地址,持:對同步詞匯偵測的芯片支 有效數(shù)據(jù)以及 CRC 校驗碼組數(shù)據(jù)格式 持,地址檢查,靈活的

41、數(shù)據(jù)包 成,總長度昀大為256位?？砷L度及自動CRC 處理 通過配置字設(shè)置。 OOK和靈活的ASK整型支持; 高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制方調(diào)制方式 2-FSK,GFSK和MSK支持 式 內(nèi)有增強型8051內(nèi)核;無線收發(fā)器nRF2401;9路100ksls/s2路 R/F IO 口,內(nèi)置ADC 轉(zhuǎn)換的 10bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器、UART異電路,轉(zhuǎn)相濾波電路,FEC檢內(nèi)置接口 步串口、SPI接口、PWM輸出、測電路,數(shù)據(jù)包處理電路,RCRC 振蕩器、看門狗和喚醒定時振蕩器,時鐘輸入接口 器,此外,nRF24E1 還內(nèi)置了專門的穩(wěn)壓電路 結(jié)合表 2.1和 2.2,CC1100芯片以及 nRF24E1芯

42、片各有優(yōu)勢: 在工作電壓、工作溫度、RF收發(fā)電流、外設(shè)電路、數(shù)據(jù)格式、封裝等方面,二者有相同或相近的性能指標;在傳輸距離、昀大 RF 發(fā)射功率、省電模式下能耗、發(fā)射頻率、調(diào)制方式等方面,CC1100 比 nRF24E1 有優(yōu)勢,而且 CC1100 工作于 400MHz 頻段,受障礙物干擾較小,nRF24E1 由于工作于 2.4GHz 頻段,受障礙干擾嚴重;在 RF 傳輸數(shù)據(jù)率,RF接收端靈敏度,開發(fā)難易,模塊成本等方面,nRF24E1比 CC1100有優(yōu)勢。而且無線胎監(jiān)系統(tǒng)對增加通信距離的要求并不是非常迫切,考慮到開發(fā)難易程度、模塊成本以及將來在擴展方面的趨勢等原因,昀主要是 nRF24E1提

43、供兩個獨立的接收信道,滿足本系統(tǒng)中同時傳輸兩路信號的要求(胎心率和宮壓),所以本文昀終也選擇了 nRF24E1作為無線收發(fā)芯片。 下面從六個具體方面和實際使用要求分別說明 nRF24E1 符合作為無線收發(fā)芯片的要求: 通信距離:因為無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)是使用在醫(yī)院的病房之內(nèi),nRF24E1標稱的室外空曠傳輸距離為可視100m。在室內(nèi)因為有多徑干擾等因素,實測距離大于20m,能滿足實際使用要求。 通信速率:因為無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)主要是傳輸胎心音和宮壓信號,即使用8K×12bits 的采樣率,加上協(xié)議封裝和校驗,只要大于200Kbps的傳輸速率足以滿足要求。nRF24E1的昀高通信速率為 1M

44、bps,符合使用要求。10暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn) 尺寸與功耗:由于無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)是對孕婦進行長時間無間斷的監(jiān)護,因此對無線通信模塊要求體積小、功耗低。nRF24E1體積小、外圍器件少;采用16MHz的晶體可同時為CPU和收發(fā)單元內(nèi)部頻率合成器提供參考時鐘,節(jié)省了印制板的空間,縮小了系統(tǒng)的體積。該芯片昀大功耗為 14mA,并提供POWERDOWN模式。它適用于電池長時間供電的無線通信系統(tǒng)。 工作頻段:為了保證無線探頭系統(tǒng)能滿足國內(nèi)外用戶的需求,其工作頻段昀好是全球開放的2.4GHz ISM頻段;同時為了確保在同一病房內(nèi)多套系統(tǒng)同時運行,必須支持多個頻道的方便設(shè)置和切換

45、。nRF24E1使用的是2.4GHz ISM頻段,通過芯片內(nèi)頻率合成器可產(chǎn)生128個頻率間隔為1MHz的收發(fā)頻道,頻率范圍為24002527MHz。其可發(fā)射的頻率點為:Channel RF2400 MHz +RF_CH*1MHz 。在此基礎(chǔ)上可設(shè)計簡單的跳頻模式。 開發(fā)難易:nRF24E1外圍器件少,只有兩個外圍元件(一個晶體和一個電阻),是業(yè)界外圍元件昀少的單片無線收發(fā)芯片,易于設(shè)計和調(diào)試。內(nèi)嵌兼容 8051的微處理器,指令周期從標準的1248個時鐘周期縮短到420個時鐘周期,XRAM數(shù)據(jù)存取采用雙指針,提高了CPU的處理和運算速度。所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部,使得

46、產(chǎn)品一致性良好,性能穩(wěn)定且不受外界影響。內(nèi)置點對多點通信控制和硬件糾檢錯。內(nèi)置增強型51單片機,含UART+SPI+9路ADC+PWM+RTC+WDT。因此開發(fā)起來方便快捷。 成本:與藍牙、Wi-Fi等無線模塊昂貴的價格相比,5美元一片的nRF24E1具有不可比擬的價格優(yōu)勢。 2.3 基于nRF24E1的單通道無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng) 2.3.1 概述 單通道無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)是基于上節(jié)所述的nRF24E1無線通信模塊來實現(xiàn)的,很好地為單通道無線胎兒監(jiān)護儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。11暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn)圖2.1 無線胎兒監(jiān)護儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 其中,探頭組負責采集胎心音信號(超聲胎心率探頭

47、)和宮縮壓力信號(宮壓探頭)?；墓δ苡?設(shè)置每套探頭組的單獨子機號;對探頭進行充電;接收探頭發(fā)送的數(shù)據(jù)包,進行處理后傳送給監(jiān)護儀。監(jiān)護儀主機的功能:接收基座發(fā)送的數(shù)據(jù),進行存儲、顯示、分析和打印等。 2.3.2 探頭的設(shè)計 一、探頭硬件設(shè)計 探頭負責采集胎兒生理信號,因為本論文側(cè)重于無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)的監(jiān)護儀部分,所以下面簡單介紹兩個探頭的設(shè)計。 1. 超聲胎心率探頭 無線胎心探頭的硬件電路部分主要由超聲發(fā)射解調(diào)電路、無線收發(fā)模塊電路、電源 管理電路等構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)如圖2.2。圖2.2 超聲探頭內(nèi)部模塊框圖 超聲胎心率探頭負責采集胎心音信號,其工作步驟為:12暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護

48、儀的多通道實現(xiàn)第一步 由超聲激勵電路激勵超聲晶片發(fā)射超聲波;第二步 對回波信號進行解調(diào);第三步 解調(diào)后的信號通過帶通濾波器提取出胎兒心動信號;第四步 對胎兒心動信號進行A/D轉(zhuǎn)換,使模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,從而滿足使用數(shù)字無線通信技術(shù)傳輸胎兒心動信號的要求;第五步 在A/D轉(zhuǎn)換和無線傳輸之間加入數(shù)字信號處理方法,以提高無線傳輸性能;第六步 通過基于nRF24E1的無線通信模塊傳輸胎兒心動信號。 圖2.3為胎心探頭的工作流程圖。圖2.3 胎心探頭工作流程圖 2. 宮壓探頭 無線宮壓監(jiān)護裝置,主要由壓力傳感器、宮壓信號處理電路和無線通信模塊組成。其結(jié)構(gòu)圖見圖2.4。圖2.4 宮壓探頭結(jié)構(gòu)圖 宮壓探

49、頭負責采集宮縮壓力信號,其工作步驟為:第一步 通過壓力傳感器對孕婦腹部宮壓信號進行壓電轉(zhuǎn)換;13暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn)第二步 對轉(zhuǎn)換后的孕婦腹部宮壓信號進行放大濾波處理;第三步 對宮壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換,使模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,從而滿足使用數(shù)字無線通信技術(shù)傳輸孕婦宮壓信號的要求;第四步 在A/D轉(zhuǎn)換和無線傳輸之間加入數(shù)字信號處理方法,以提高無線傳輸性能;第五步 通過基于nRF24E1的無線通信模塊傳輸孕婦腹部宮壓信號。 圖2.5是宮壓探頭的工作流程圖。圖2.5 宮壓探頭工作流程圖 二、探頭軟件設(shè)計 探頭軟件設(shè)計流程圖見圖2.6。圖2.6 探頭軟件流程圖14暨南大學碩

50、士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn) 首先,探頭啟動,讀入相應的子機號,接著等待基座的握手信號,在這個過程中,會進行“累計超時”判斷,以排除一些意外因素造成的探頭脫離基座的情況。 在收到基座的握手信號后,會判斷探頭是否位于基座。如果探頭位于基座上,則判斷是否進入充電模式;如果探頭不在基座上,那么探頭應該處于工作狀態(tài),這時探頭開始工作,采集并發(fā)送數(shù)據(jù)。 2.3.3 基座的設(shè)計 一、基座的硬件設(shè)計 基座的工作模式有兩種: 1、充電模式:當探頭放在基座上時,基座能識別所放置的探頭的類型,能對探頭 進行充電管理、機號設(shè)置。 2、工作模式:基座檢測到探頭離開后,等待探頭的握手信號。握手成功后進入正 常

51、工作模式,接收探頭發(fā)回的數(shù)據(jù),進行處理后輸出到胎兒監(jiān)護儀。 基座的硬件電路部分由開關(guān)電源模塊、nRF24E1無線收發(fā)模塊、信號放大電路和人機接口電路組成。系統(tǒng)框圖如圖2.7所示。圖2.7 基座系統(tǒng)框圖 二、基座的軟件設(shè)計 基座的完成的任務有: 基座必須能識別探頭是否掛在基座上,通過行程開關(guān)和通訊觸點識別; 用戶也可以在通過基座設(shè)置該套無線探頭系統(tǒng)的子機號; 基座開機后,如探頭掛在基座上,基座核對探頭的子機號,如不符合則進行報警提示用戶重新對號; 基座對探頭電量進行檢測,如需要則進行充電,并顯示充電狀態(tài); 基座開機后,某探頭離開基座,基座立即對該探頭發(fā)出無線查詢,與探頭完成握手15暨南大學碩士學位論文 無線胎兒監(jiān)護儀的多通道實現(xiàn) 后,連接顯示正常,接收該探頭的信號,并處理成模擬信號傳輸?shù)教罕O(jiān)護儀; 基座每次收到探頭的胎監(jiān)信號后,對探頭進行回應,當超時沒有收到探頭信號時,進入查詢狀態(tài),并顯示連接報警,直到重新收到信號為止。 圖2.8為接收基座主程序的流程圖。圖2.8 接收基座主程序的流程圖 2.4 單通道無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)與臨床測試 2.4.1無線胎兒監(jiān)護系統(tǒng)的安裝 圖2.