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1、生理信号无线传输系统的设计 摘 要 随着移动通信技术的发展和无线数据业务的进步，全新的医疗监护领域已逐 渐聚焦了许多软件开发商的目光。本文利用目前已有的蓝牙模块，设计了基于蓝 牙技术的心电检测系统。课题的研究将先进的无线、近距离传输技术应用于动态 监护中，使心电数据的传输由有线变为无线、实时、可移动。被测人员可利用便 携式控制器连续采集心电生理参数，采集后将数据传输到随身携带具有蓝牙功能 的机器进行数据的保存和分析处理。它在保障被测人员的生命安全方面无疑具有 重要的临床使用价值。 硬件方面，通过数据采集系统采集心电信号，经过放大、滤除干扰、陷 波等电路把符合频率段内的脉搏信号送到AT89C51
2、 单片机中，经 AT89C51 处理通过 UART 送到蓝牙模块，进行实时发送，在终端，通过蓝 牙无线传输功能将数据传送到电脑上，对心电数据进行记录和分析。 该系统采用无线通信技术，省去了复杂的连接导线，十分便于操作者使用， 节省使用空间，具有很好的市场应用前景。蓝牙技术在无线个人通讯上应用有着 很好的市场前景，但应用在医疗领域还很少，目前医疗监护系统中采用蓝牙技术 是一种尝试，通过对本系统的测试，说明在医疗监护系统上采用蓝牙技术进行无 线测试控制是可行的，为将来手机医疗监护领域的普及使用奠定了良好基础。 关键词：心电信号,蓝牙模块,数据采集,无线通信 河南科技大学毕业设计（论文） II TH
3、E DESIGN OF WIRELESS SIGNAL TRANSMISSION SYSTERM ABOUT PHYSICAL ABSTRACT With the development of mobile communication technologies and the improvement of wireless data traffic, advanced technology of wireless and short distance transmission is applied on pulse signal test system，which makes the tran
4、smission of numerous of data from wire into wireless as well as real time and portableThe portable controller which is carried by volunteer can continuously record physiological parameters of pulse，it also transmits data to the mobile phone for storage，analysis and process during the data acquisitio
5、n process. It has very important clinical value in the protection of volunteers In terms of hardware，through the data acquisition system，pulse signal is magnified，filtered，and interruption is eliminated，then the pulse signal in required frequency band is sent to AT89C51 single chip and is processedA
6、fter that, the pulse signal is sent to module of Bluetooth transmission through UART. Physical parameter is recorded and analyzed at last The system adopts wireless testing technology while the complicate wire is taken offIt is very convenient to use and much space can be saved as well. The system i
7、s a try of application of Bluetooth technology in medical monitoring systemsAs is known，Bluetooth technology has a good market prospect in application of wireless personal communication at present，but it is rarely applied in medical fieldIt is proved that by applying the Bluetooth technology on medi
8、cal monitoring system to realize the wireless test and control through the test of this system is availableThis will laid a good foundation for the popularization of mobile medical supervision in the future. 河南科技大学毕业设计（论文） III KEY WORDS：PULSE SIGNAL, BLUETOOTH MODULE, DATA ACQUISITION；WIRELESS TRANS
9、MISSION 河南科技大学毕业设计（论文） 1 目 录 摘 要 .I ABSTRACT.II 前 言.1 第一章 生理信号采集系统.5 1.1 总体思路5 1.2 信号放大模块5 1.3 低通滤波器6 第二章 生理信号转换系统.10 2.1 51 单片机简介 .10 2.2 串口通讯12 2.3 AD 转换15 2.4 AT89C51 与 AD0809 在此设计的应用18 第三章 软件编程.20 3.1 C51 的数据类型.20 3.2 设计中的程序21 第四章 无线发送模块.24 4.1 蓝牙技术的简介24 4.1.1 内部结构及各功能块介绍24 4.1.2 芯片接口和主要管脚介绍.25
10、4.2 蓝牙芯片在此设计中的应用26 结论.26 参考文献.28 致 谢.30 附 录.31 河南科技大学毕业设计（论文） 1 前 言 随着现代信息技术的发展以及人们对自我保健质量要求的不断提高，医疗保 健业日益朝着移动、无线、便利方向发展。医疗保健机构正逐步通过各种通信方 式从测试现场获得被测人员信息并更新他们的数据库。移动无线解决方案允许用 户在患者病榻旁及时的更新患者信息，从而可以确保数据反映患者的最新情况。 这有助于减少医疗差错、节省医疗专业人员的时间；同时，便于浏览患者信息、 检验治疗结果、输入诊断信息，并能够在患者最方便的场所将关键性的统计数据 输入到患者病历中。 医疗监护系统是医
11、学临床诊断的重要的设备，而目前国内的监护系统主要是 通过有线电缆来实现信号传输，患者有时需要连续检测 24 小时或更长时间时， 限制了被测人员的活动空间，因此希望能摆脱有线电缆的束缚，蓝牙技术动态监 护系统可解决这一问题。 本课题是将先进的无线、近距离传输技术应用于动态监护系统中，使脉搏数 据的传输由有线变为无线、实时、可移动。被检测人员只需随身携带可连续采集 脉搏信号的便携式控制器，在记录的同时可将数据无线传输并做数据的分析和处 理。将无线通信技术应用于医疗监护设备，在国外已经取得了一定发展。 在国内，目前无线通信技术的应用主要集中于小型的移动通信设备，而把无 线通信技术应用于医疗设备的工作
12、尚处于起步阶段，但已显示出广阔的前景四。 总之，从发展的角度来看，医疗保健产品的无线化、网络化是趋势，移动型、 掌上型产品将成为未来市场的主流。 近年来，各种人体生理信号的监护仪器已经成为各级各类医院中的常用设备， 特别是由于经济发展、生活水平的提高、人口老龄化和心血管并发率上升等因素， 监护需求量已经大大增加，这类设备越来越得到广泛的应用。一般来说，这类监 护仪器都是由包含各种传感器的物理模块和大型计算机系统构成。各种生理信号 经由传感器转换成可输入电信号，经前置放大、滤波、模数转换等处理后上传至 计算机进行结果显示、存储和管理。大型监护仪可以实时、连续、长时间地检测 病人的重要生命特征参数
13、，具有重要的临床实用价值。目前，这类监护设备的监 护参数不断增多，由过去的单参数逐步发展成为多参数，包括心电、呼吸、血压、 体温、血氧饱和度、有创血压、呼吸二氧化碳、心输出量等，功能也在不断加强， 由过去的简单监护发展到对异常波形的自动记录与分析。但是，这些仪器大多价 河南科技大学毕业设计（论文） 2 格昂贵、体积庞大、不便携带，使用起来也需要很多专业知识，而且这些设备也 仅能在医院里使用。 而蓝牙技术是最近几年发展起来的一种无线数据与语音通信的开放性全球规 范，它是一种用无线替代固定电子设备之间连接电缆的近距离无线链路。它具有 传统生物遥测技术所不可比拟的优点： 1 发射功率小(只有 l m
14、W)对人体生理影响小； 2 试用了频率扩展和调频技术，在有很多无线复杂通讯环境下，仍然能保证 数据传输的准确性，有很强的抗扰能力； 3 体积小，可制成微型传感发射模块，便于携带和长期监测，而对人的正常 活动无影响； 4 蓝牙技术支持点对点和一点对多点的通信，相互之间无串扰，可以同时对 多人进行检测； 5 自身有加密安全机制，保证数据可靠性； 6 支持多种无线网络协议，可在现有的物理网络基础上实现远程监管，系统 可通过更新软件升级。 在国内，有很多研究工作是针对此类无线收发模块在医疗监护领域的应用展 开的。例如，许剑等人使用 nRF2401 芯片设计无线监护系统，并结合嵌入式技术 与 Inter
15、net 联接，实现对正常工作和生活条件下患者的远程监护；王林琳等人使 用无线通信模块 PTR2000，黄强等人 f20J 使用无线收发芯片 XEl201，分别设计 了应用于医院的无线监护系统，从而取代现有的基于有线网的床旁监护仪：魏国 良等人使用无线收发模块传输床旁监护仪的输出图像，低成本的实现基于现有设 备的无线监护系统。这类方案的优点在于成本低廉、便于集成，可以对无线收发 部分进行灵活控制，功耗低。但是，由于这种芯片只集成了单纯的无线收发功能， 对一些复杂的求，在实现复杂的编码、纠错功能方面，或者是实现以特定协议组 网时，需要开发者自行设计，开发难度和工作量大。而且不同的开发者对于系统 有
16、不同的通信协议设计，从而导致各个系统之间无法兼容。深圳大学已经研制成 功基于蓝牙技术的消化道图像采集发送胶丸，已通过国家鉴定。基于蓝牙技术的 动态脉搏监护仪的相关产品资料尚未查到。但显然，用蓝牙互联的各种电子医疗 设备具有更广泛的应用范围，可以在各种设备及医疗人员之间更好的协作，出现 紧急状态时及时发出告警，在医院的远程监护、社区医疗站以及家庭保健监护医 疗中将有巨大的市场潜力，有广阔的应用前景。 河南科技大学毕业设计（论文） 5 第一章 生理信号采集系统 1.1 总体思路 传统检测设备通过有线方式连接到人体上进行生理信息的采集，各种连线容 易使病人心情紧张，从而导致所检测到的数据不准确。使用
17、蓝牙技术就可以很好 的解决这个问题。医疗微型传感器置于被检测者左关部位，尽量使其不对人体正 常活动产生干扰再通过蓝牙技术将采集的数据传输到接收设备上，并对其进行处 理。 基于无线蓝牙传输的脉搏信号测试系统具有以下基本功能： (1)心电数据的实时采集和处理；(2)与终端设备进行蓝牙通信，实现数据的无 线传输。(3)体积小、重量轻、功耗低、便于携带。根据系统功能要求，采用 AT89c51 单片机作为控制单元，蓝牙模块作为无线数据传输的输入输出接口。其 总体电路结构如下所示： 信号输入前置放大滤波器陷波器二级放大MCU蓝 牙芯片 1.2 信号放大模块 生物医学信号是一种相当复杂的信号，从生物的细胞到
18、器官组织都可以成为 生物信号源。就人体而言，其生物医学信号大致有两类：(1)由生理过程自生的主 动信号。又分 ECG、EEG、EMG、EOG 等电生理信号和体温搏、呼吸等非电生 理信号。(2)外界施加于人体，把人体作为通道进行探查的动信号，如超声波、同 位素、X 射线的功能。关于生理、病理状况的信息将通过被动信号的某些参数携 带。 由于受测量环境、不同个体差异等因素所限，生理信号的测量范围会有所不 同，上述信号即是经过多次测量且在具有一定共性的信号中取得的测量范围。 信号采集模块由电极、信号调理电路组成，信号调理电路主要由放大电路和 滤波电路组成，实现信号的放大、整形及滤波等功能。 河南科技大
19、学毕业设计（论文） 6 对于医学信号采集系统而言其前级的电极输出的电信号多是毫伏级甚至微 伏级的微弱信号，必须经过放大电路放大后才能达 A/D 转换需要的电压幅度范围。 信号调理电路连接的前级是将生理信号转化为电信号的电极，其后级连接的是 A/D 转换器。信号调理电路的作用是微弱电信号(通常为电压信号)不失真地放大 或调整到能够直接由 A/D 转换器样的幅度足够的电信号，以充分利用 A/D 转换 器的满量程分辨率，且信号调理电路对其前级的电极和后级的 A/D 转换模块的影 响要尽可能的小。 生物电放大器前置级必须具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移 等。 ECG 放大采用三级放大，信号
20、的前置放大采用 AD 公司的低噪声小体积低耗 仪表放大器 AD620 芯片(其最大供电电流仅 1.3mA)，AD620 信号的前置放大级， 经 AD620 放大后的小信号失真度很小。AD620 的两个内部增益电阻为 24.7k ， 因而增益方程式为：G=49.4/RG+1. 该运算采用了激光晶片校准工艺，为超 B 结 构，它的最大输入十条电压为 50 V，最大输入失调电压漂移为 0.6 V/ ，最 大输入偏置电流 2.0nA，在 0.1HZ-10HZ 范围内输入电压峰一峰值为 0.28V，输 入阻抗可达 10M，共模抑制比可达 140dB，因而在精确测量系统中，应用 AD620 设计电路是非常
21、理想.器前置放大电路如下所示： 有公式可知：G=49.4/2.6+1=20 河南科技大学毕业设计（论文） 7 前置放大的效果图。 1.3 低通滤波器 滤波模块由截止频率为 0.5Hz 的高通滤波器、100Hz 的低通滤波器组成。在 生理信号的放大设计中，一般均采用有源滤波电路。较适合生理信号特征的滤波 器有巴特沃兹滤波器、贝塞尔滤波器等。对于注重频度有较好截止特性的场合， 选用巴特沃兹滤波器；当注重相位的场合，则选用贝塞尔滤波器为好。由于心电 信号采集不是很注重相位关系，因此选用巴特沃兹滤波器22。 为使电路具有较窄的过渡带，本课题采用压控电压源二阶低通滤波电路，电 路如下所示。它由两节 RC
22、 滤波器和同相放大电路组成。其中同相放大电路实际 上就是所谓的压控电压源，它的电压增益就是低通滤波的通带电压增益，即： 0 1 1 f VF R AA R 可以推导出二阶压控电压源低通滤波器的传递函数为 上式为二阶低通滤波器传递函数的典型表达式。其中n 为特征角频率，而 Q 则称为等效品质因数。上式表明，AO=AVF 头文件的引用 #define uchar unsigned char sbit EOC=p20; 将各种口的定义 sbit STA=p21 ; sbit CLK=p22; sbit OE=p23; 河南科技大学毕业设计（论文） 23 sbit ALE=p24; sbit AD0=
23、p27; sbit AD1=p22; sbit AD2=p25; void DELAY1() 延时程序 uchar i; for(i=0;i10;i+); void DELAY() 延时程序 unsigned int time; for(time=0;time0xf9;time+); void time0() interrupt 1 using0 中断程序 用来产生时钟信号 CLK=CLK; void main() 主程序 uchar addata; 申请单元用来存贮转换数据 TMOD=0X22; 定时器的初始化 PCON=0X00; 波特率不加倍 SCON=0X20; 串行口的初始化 TH0
24、=0XA0; TL0=0XA0; TH1=0XF3; TL1=0XF3; EA=1; 允许总中断 ET0=1; TR0=1; TR1=1; AD0=0; 河南科技大学毕业设计（论文） 24 AD1=0; AD2=0; ALE=0; DELAY1(); ALE=1; DELAY1(); ALE=0; DELAY1(); while(1) STA=0; DELAY1(); STA=1; DELAY1(); STA=0; DELAY1(); DELAY(); while(EOC=0); addata=p0; SBUF=addata; while(TI=0); TI=0; 河南科技大学毕业设计（论文）
25、 25 第四章 无线发送模块 4.1 蓝牙技术的简介 蓝牙技术是一种用于替代在便携或固定电子设备上使用的电缆或连线的短距 离无线连接技术，其设备使用全球通行的，无需申请许可的 2.5GHz 频段 ，可实 时进行数据和语音传输。 传输速率可达到 10mbps。 在支持 3 个话音频道的同 时还支持高达 723.2mbps 的数据传输速率，也就是说，在办公室，家庭和旅途中， 无需在任何电子设备间布设专用线缆和连接器。而通过蓝牙遥控装置即可形成一 点到多点的无线连接。即在该装置周围组成一个微网。网内任何蓝牙设备都可与 该装置互通信号。蓝牙设备的一般有效通信范围为 10 米，最强的可以达到 100 米
26、左右。 爱立信公司是蓝牙技术的发起人 。该公司出品的蓝牙芯片 rok101007 是一 款适合于短距离通信的无线 基带模块/该蓝牙模块集成度高功耗小，完全兼容蓝 牙协议。rok101007 可嵌入任何需要蓝牙功能的设备中。该模块包括基带控制器， 无线收发器，闪存等部，可提供高至 HCI 主机控制连接。 4.1.1 内部结构及各功能块介绍 Rok101007 包含五个功能块：无线收发器、基带控制器、闪存、电源管理模 块、时钟。 无线收发器是一个工作在 2.42.5 GHz 频段的短距离微波频率射频收发器， 最大的XRX 数据传输率为mbit/s。能在可供使用的个信道 （2.42.5）之间快速地跳
27、频，通道带宽是，频率偏差在 140 khz 和 175khz 之间。安装天线之后，传输距离可 10，符合频段的和 标准。 ，无线收发器集成了环路滤波器、压控振荡器、天线滤波器、收 发控制器、发送器和接收器等六个操作部件，如图所示。各部件功能如下： 完成信号的调制和解调。 环路滤波器、压控振荡器和 构成锁相环。环路滤波 器滤除 输出的误差电压的高频成份和噪声，用以保证环路 河南科技大学毕业设计（论文） 26 所要求的性能，增加系统的稳定性。 收发控制器协调接收器（）和发送器（）的工作，用以保证蓝牙 的全双工传输。 天线滤波器对射频信号进行带通滤波。管脚（）是天线接口， 应连接阻抗为 500 的天
28、线。 基带控制器是一个基于的功能块，通过或 接口控制无线收发器。基带控制器负责处理底层的链路层功能，如调频序 列的选择等。 闪存以二进制码的格式存放蓝牙固件，可与基带控制器交换数据、地址和控 制信号。蓝牙固件包括链路管理器和主机控制接口（） 。链路管理器实现 了链路管理协议（） ，负责处理底层链路控制。每个蓝牙设备都可以通过 与另一个蓝牙设备的链路管理器进行点对点的通信。为主机提供了 访问基带控制器、链路管理器以及硬件状态和控制寄存器的命令接口。主机通过 驱动程序提供的一系列命令控制蓝牙接口；蓝牙固件的收到命令后， 会产生事件返回给主机，用来指示接口的状态变化。 电源管理模块该模块提供芯片所需
29、电源。vcc 的典型值是.。 时钟该模块内置频率为 13的时钟。时钟由一个晶体振荡器产生，保证 定时的精度在 20ppm 之内。 4.1.2 芯片接口和主要管脚介绍 接口 Rok101007 的接口符合1.1 规范，通过双向端口，数 据传输可达到。当使用接口与主机通信时， 是一个从设备。与该接口有关的管脚有： （）（） 用于数据传输。 （）（）用于与笔记本电脑互联， 可用来控制笔记本电脑的状态。当主机处于掉电模式时，如果蓝牙设备收到建立 连接的请求， 信号就会“唤醒”主机。而主机可通过 信号指示自己处于“挂起“模式。 接口 （）（）用于收发数据。 河南科技大学毕业设计（论文） 27 语音接口
30、标准的语音接口采样速率为。语音编码方式可采用 （连续可变斜率增量调制） 律（8）或律（） 。考虑 到编码的健壮性，应优先选择。与语音接口有关的管脚信号有： （） 设置数据的采样速率。 （） 接收或发送语音编码信号。 这两个管脚信号的方向通过编程可调。 4.2 蓝牙芯片在此设计中的应用 将数据采集系统采集的数据经过 AT89C51 处理过之后经过串行口传输到蓝 牙芯片中即可！电路如下图所示： 河南科技大学毕业设计（论文） 28 结结 论论 本文完成了用于人体的生理信号的采集和发送系统计与开发，经过实验证明， 系统已基本达到了最初的设计要求。 本文设计开发心电采集和无线发送系统能基本完成人体在运动
31、时心电信号的 采集、心率计算和心率数据的无线发送。整个系统装置较小，符合便携式装置的 要求。但由于经验有限，该装置还存在诸多不足之处。通过实验也发现了一些需 要该进的地方。归纳如下： 一、滤波电路的滤波效果不太好，如 50Hz 陷波器对 50Hz 工频干扰的抑制效 果不是很好。 二、无限发送模块 ROK101007，对于运动的人体来说，无线发送的距离有些 短。 在通信技术蓬勃发展的 21 世纪，网络技术己经越来越深入到我们的日常生 活中，我们有理由相信面向医院局域网、城市生活小区或城域网，基于 Web 技术 的远程医疗系统必将得到更进一步的发展与应用。 河南科技大学毕业设计（论文） 29 参考
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