德州儀器在線技術(shù)支持社區(qū)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)模板

2023-2023德州儀器C2023和MCU創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽題目：基于ZigBee的無線ECG心電采集診斷系統(tǒng)賈真jiazhen.云南省昆明市呈貢縣昆明市呈貢新區(qū)大學(xué)城東外環(huán)路南路云南大學(xué)校區(qū)楠院楊志柳 2 2 22.系統(tǒng)方案 33.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 53.1采集模塊設(shè)計(jì) 53.1.1設(shè)計(jì)思緒 53.1.2改善方案 63.2ZigBee模塊硬件設(shè)計(jì) 7 7 83.2.33.2.3A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換硬件設(shè)置 8 83.2.5串口通信硬件配置 9 9 93.3.2本項(xiàng)目中Cortex-M3平臺(tái)的應(yīng)用 4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 144.2.1算法設(shè)計(jì)思緒 4.2.2算法流程圖 4.2.3程序的后期設(shè)計(jì) 5.系統(tǒng)創(chuàng)新 176.評(píng)測(cè)與結(jié)論 參照文獻(xiàn) 19摘要性能處理器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行深入處理，將心電圖wirelessly.ThesystemusesprofessionalanalogueamplifiertoCollectorwirelessly.TheCollectortransmitsthesignaltotheCortex-M3,whichprocfeaturedwithstrongcapacityofresistingdisturbance,highreliabilpowerconsumptionandtinyshapeKeywords:ECG;Electrocardiosignal;ZigBee;CortexM3然后通過ZigBee傳播，再送至MCU平臺(tái)處理顯示?？蓪?shí)時(shí)顯示人體心電圖(ECG),測(cè)量人體呼吸，對(duì)采集到的人體信號(hào)作綜合處理后，可觀測(cè)病人的心肌工作與否正常，和時(shí)發(fā)現(xiàn)病人隱藏的斷，這不僅解放了護(hù)理人員繁重的勞動(dòng)，并且還為監(jiān)護(hù)的和早發(fā)現(xiàn)、迅的方案進(jìn)行升級(jí)與深入研究，該無線系統(tǒng)還可應(yīng)用于災(zāi)害搶險(xiǎn)中的生命檢測(cè)，高危職業(yè)的生命智能我們的系統(tǒng)由安裝在人體身上的電極傳感器采集人體生命信號(hào)，經(jīng)放大電路放大后，通過A/D送入子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)通過無線方式將采集數(shù)據(jù)匯報(bào)給母節(jié)點(diǎn)，母節(jié)點(diǎn)綜合搜集各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)控制器分析并顯示。整個(gè)系統(tǒng)共分為采集、傳送、控制三個(gè)大模塊。整體框圖如圖1所示：系統(tǒng)最前端的采集模塊首先通過巧妙分布于人體中的電極傳感器采集各個(gè)經(jīng)屏蔽電纜送入模擬電路放大部分，該放大電路是經(jīng)典的ECG小信號(hào)放大電路，具有高增益，點(diǎn)。在這里，為了使采集到的人體信號(hào)有說服力，我們兼顧了導(dǎo)聯(lián)中間的傳送模塊是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。A/D部分采用多通道輪換采集，考慮到數(shù)據(jù)包的使用傳播協(xié)議中內(nèi)嵌了一種小型的微操作系統(tǒng)，因此每次數(shù)據(jù)連接都是一系列系統(tǒng)動(dòng)作輪詢執(zhí)此每次連接的建立都是寶貴的，這就使得我們?cè)诿看芜B接的母站接受各方數(shù)據(jù)，這里它充當(dāng)?shù)木褪菂f(xié)調(diào)器的角色。協(xié)調(diào)器會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)作對(duì)應(yīng)處理，進(jìn)行初步加之符合系統(tǒng)的特性，這里尤其對(duì)數(shù)據(jù)幀的格式做了規(guī)定，以便雙方無誤接受以和精系統(tǒng)終端是控制器模塊，負(fù)責(zé)將從串口傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，畫出表征對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，做到實(shí)時(shí)反應(yīng)被檢測(cè)人員的身體特性。由于最終匯總的數(shù)據(jù)量龐人體心電電壓信號(hào)的大體范圍是1~4mV,為信號(hào)進(jìn)行合適的放大。1~5V的電壓信號(hào)處理起來較為以便，因此我們大體需要對(duì)原始心電信號(hào)放大1000倍左右。在這里，我們采用了兩級(jí)放大的設(shè)計(jì)方案。若第一級(jí)放大增益過高，則輕易自激，因此我們?cè)O(shè)計(jì)第一級(jí)放大增益為10倍左右，第二級(jí)放大增益為100倍左右。在第一級(jí)放大中，我們使用了儀器放大器AD623。AD623是一款低功耗儀器放大器，可以使用3V供電，可以與CC2230模塊可以使用通過外接電阻進(jìn)行調(diào)整。這里我們使用的電阻阻值為15K,AD623的增益約為8~10倍。第一級(jí)運(yùn)放電路原第二級(jí)放大我們使用了低功耗通用放大器MCP6004。MCP6004使用1.8~5.5V單電源供電?？梢詫?shí)現(xiàn)與可知兩級(jí)放大總增益約為400至500倍，可以將原始信號(hào)放大到0.5~2V,適合CC2530模塊進(jìn)行采集。圖4右腿驅(qū)動(dòng)原理圖在采集模塊的設(shè)計(jì)過程中我們發(fā)現(xiàn)，雖然該模塊只用到AD623和為了處理這個(gè)問題，我們已經(jīng)開始著手使用TI企業(yè)的ADS1298芯片來實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集。ADS1298是TI企業(yè)設(shè)計(jì)的專門用于生物電勢(shì)測(cè)量的低功耗、8通道、24位模擬前端。其中內(nèi)置8個(gè)低噪聲可編程增本來使用AD623和MCP6004的方案，使用ADS1298可1個(gè)SK-SmartRF05EB(評(píng)估底板)2個(gè)SK-SmartRF05BB(電池底板)3支2.4GHz可折疊橡皮天線(天線增益3dBi)ZigBee模塊的整體框圖如圖5所示：RAM,和豐富強(qiáng)大的外設(shè)資源，包括8~14位ADC、USART、21個(gè)可編程1/接USB供電。它具有卓越射頻性能，包括低功耗持在99%以上。這里，協(xié)調(diào)器(亦稱采集器)擔(dān)任了采集數(shù)據(jù)之間重要的轉(zhuǎn)換角色，它要搜集各方數(shù)據(jù)，它同樣采用3.3V供電，由于終端采集節(jié)點(diǎn)分布在傳感網(wǎng)絡(luò)的最末端，我們可用8個(gè)獨(dú)立配置輸入通道并且心電信號(hào)躁動(dòng)干擾大，不需要精確將每一時(shí)刻的值都全息記錄，而重要我們的ADC使用8位模式。心電信號(hào)經(jīng)放大后出來的信號(hào)幅值在2V上下，因此參照電壓選擇片上引(原則狀態(tài)下為3.3V)。SK-SmartRF05EB協(xié)調(diào)器上配有的MzLH種字號(hào)的中文庫(kù)(包括一、二級(jí)中文庫(kù))以和兩種字號(hào)的ASCII碼細(xì)紋字庫(kù)；自帶基本繪圖功能。該模組為串行SPI接口，接口簡(jiǎn)樸、操作以便；我們使用式數(shù)據(jù)，這樣我們就可以用USB與PC進(jìn)行通信，但由于我們采用的是ARM處(cortex-m3內(nèi)核)的全功能開發(fā)平臺(tái)—HelloM3-9B9X開發(fā)板。LM3S9B96是TI最新推出的S列Tempest家族中功能最強(qiáng)大的一款，主頻80MHz(100MMIPS)、256KB的閃存、96KB的靜態(tài)存儲(chǔ)器，圖6ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖還需兼顧發(fā)送端A/D采集數(shù)據(jù)并發(fā)送，接受端接受數(shù)據(jù)并通過UART傳至下一級(jí)。由于圖7操作系統(tǒng)流程圖部分是系統(tǒng)初始化(Osal_init_system函數(shù)),它會(huì)給各個(gè)任務(wù)分派任務(wù)號(hào)(TaskID),然后設(shè)定對(duì)應(yīng)事件。接著啟動(dòng)中斷，初始化按鍵與顯示之后，我們就可以啟動(dòng)操作系統(tǒng)(Osal_start_system函數(shù))。開0sal_start_system函數(shù)使操作系統(tǒng)進(jìn)入無返回的死循環(huán)，直至系統(tǒng)復(fù)位或者看門狗復(fù)位。該函數(shù)為輪詢是通信就一定會(huì)涉和到兩個(gè)終端，也就是我們這里所說的采集節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器，因從協(xié)調(diào)器的算法中可看出，對(duì)于協(xié)調(diào)器，它充首先一種網(wǎng)絡(luò)一種協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器啟動(dòng)，讀取設(shè)備的邏輯類型，讀為協(xié)調(diào)器發(fā)操作系統(tǒng)中的組網(wǎng)事件。網(wǎng)絡(luò)建立起來后，協(xié)調(diào)器將與節(jié)點(diǎn)建立綁定關(guān)系，這的綁定，協(xié)調(diào)器會(huì)進(jìn)入容許綁定狀態(tài)，我們需設(shè)置時(shí)理人員是自主的，本系統(tǒng)中我們將時(shí)間設(shè)定為任何時(shí)候都容許綁定，在收到子節(jié)點(diǎn)由于在ZigBee的操作系統(tǒng)中有消息來訪事件(有點(diǎn)像的來電顯示),只要節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)出，協(xié)調(diào)器就會(huì)進(jìn)入接受數(shù)據(jù)指示函數(shù)，通過判斷數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)幀頭部標(biāo)志(詳細(xì)的數(shù)據(jù)幀格式將在下面的發(fā)送部分詳細(xì)講解),進(jìn)入心電信號(hào)匯報(bào)處理部分，我們將采集到的8位數(shù)據(jù)擴(kuò)大一倍，然后采用軟件微濾波的方終端采集節(jié)點(diǎn)的流程圖基本同協(xié)調(diào)器，與協(xié)調(diào)器相比，去掉了串口部分，增長(zhǎng)了A/D采樣模塊，然后采集節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)出綁定裝置信號(hào)，若返回成功標(biāo)識(shí)，則綁定完畢。接著就是發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自A/D采樣部分，現(xiàn)先通過圖9指明A/D的詳細(xì)過程：圖9A/D采樣流程圖A/D采用p0.1通道，轉(zhuǎn)換精度采用8位，有效位為7位，也就是說我們采集到的電壓數(shù)據(jù)在1到127然后后續(xù)字節(jié)為采樣數(shù)值，由于A/D轉(zhuǎn)換精度采用8位，因此一次采樣值剛好可以放入一種字節(jié)中。又由于120ms啟動(dòng)一次發(fā)送事件，意味著兩次發(fā)送之間有120ms的間隔，我們?cè)谶@段間隔中插入了15次A/D采樣，每次采樣間隔6ms。由于心電信號(hào)在它的上跳點(diǎn)處頻率很高，因此我們充足挖掘了ZigBee的數(shù)據(jù)傳播首先從指定端口0的接受FIF0中獲取一種數(shù)值，通過顏色將數(shù)值畫在第一列上，然后繼續(xù)接受下一種數(shù)值，畫在第二列，并與第一列的數(shù)值點(diǎn)連接成線。如此循環(huán)畫下去，當(dāng)畫滿一屏由于屏幕是320x240的規(guī)格，將屏幕分為兩部分，縱軸0~23的范圍處畫框顯示標(biāo)題，縱軸29~239的然后重新刷新，覆蓋前一屏的波形。在顯示波形的區(qū)域，將其分為小塊的方格，以便觀測(cè)，并將5x5的方格畫一種邊界。在畫每一列的過程中，先著背景色，再畫出方格線，最終畫出數(shù)值點(diǎn)當(dāng)輸入三路信號(hào)時(shí)，分別用紅綠紫表達(dá)。通過列數(shù)計(jì)數(shù)器j累加，來判斷與否畫完一屏數(shù)據(jù)。當(dāng)畫完一屏?xí)r，列數(shù)計(jì)數(shù)器j清零，重新從第一列畫起，逐漸覆蓋前一屏的波形。加入計(jì)算心率算法，增長(zhǎng)心率，體溫參數(shù)的顯示接受多種顧客的數(shù)據(jù)，通過觸屏選擇任何一種人的心電圖并顯示通過上位機(jī)與電腦連接，將所有的數(shù)據(jù)傳給電腦，以便深入的處理5.系統(tǒng)創(chuàng)新醫(yī)院或小區(qū)老齡人或特殊人群的監(jiān)護(hù)周期長(zhǎng)，并且監(jiān)護(hù)這項(xiàng)工作的特點(diǎn)就是“防止萬一”,有特殊狀況的時(shí)間在整個(gè)監(jiān)護(hù)時(shí)間段內(nèi)只是一瞬間，但為了這一瞬間我們需要每時(shí)每刻的監(jiān)耗問題，而ZigBee恰好就具有低功耗的特點(diǎn)，兩節(jié)一般5號(hào)電池就可以驅(qū)動(dòng)。因此采用低功耗的ZigBee上，然后通過有線的方式將數(shù)據(jù)傳播至醫(yī)務(wù)人員辦公室，這樣受護(hù)理者的活動(dòng)范圍案是病人自身要攜帶粗笨的檢測(cè)分析儀器，而病人自身是很少有分析能力，因此這的方式傳遞至另一邊的分析端。這樣既給了受護(hù)理者息事件的間隔不能太小，否則會(huì)導(dǎo)致連接的中斷，鑒于此，我們發(fā)明量，即在一種數(shù)據(jù)包中放入多次A/D采樣值，通過一定延遲后再進(jìn)行采樣。我們本來每?jī)纱螖?shù)據(jù)發(fā)送之間的定期周期為12ms,每次發(fā)送兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，可以說數(shù)據(jù)率很低下，后來我們采用多次采樣，打包發(fā)送的措施后，每次發(fā)送15個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)率。這可以說是對(duì)ZigBee數(shù)據(jù)傳播極限的一種挖掘。此外，放大電路的AD623、MCP6004與子節(jié)點(diǎn)的CC2530都是低功耗產(chǎn)品。這樣，兩節(jié)電池就可支持子節(jié)點(diǎn)右的可觀測(cè)信號(hào)，先用示波器觀測(cè)前級(jí)心電圖(E稍微下跳的波形。接著我們將子節(jié)點(diǎn)采集到的信號(hào)用無線方式發(fā)送給了協(xié)調(diào)器，這里，每120ms發(fā)送一種數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包括14個(gè)有效采樣值，它們是每隔6ms采樣一次，由此發(fā)現(xiàn)發(fā)送速率實(shí)際為800bit/s左右。協(xié)調(diào)器的LCD顯示屏可以看到實(shí)時(shí)采集