（教育技术学专业论文）基于蓝牙技术生物反馈仪的研究与实现.pdf

天津师范大学硕士学位论文摘要 摘要 生物反馈仪是一种基于生物电子学原理制造的，可用于测量人体皮肤电导、 体温等生理参数的专门仪器。生物反馈仪在心理学的发展史上起到了重要作用， 它可应用于教育心理学、医学心理学、体育心理学和军事警察心理学等多个神经 心理学领域，同时在社会各个领域也有着广泛的应用。 随着生物反馈技术的发展，在国际上各种生物反馈仪应运而生。与国外产品 相比，国内产品相对起步较晚，产品种类很少。本文率先在国内提出并实现了一 种基于蓝牙无线传输的生物反馈仪，既保证了生物反馈仪原有的功能特性，又实 现了便携、实验自由度大等特点，具有很高的应用价值。 本文在无线通信方案的设计中，对目前应用的多种无线通信技术进行了分析 和比较，认为蓝牙技术具有简单、便捷、成熟等短距离无线通信优势，是一个比 较理想的应用于生物信号采集模块与p c 机之间无线传输的解决方案。 无线生物反馈仪是否具备良好的低功耗设计和稳定的技术性能是决定该系 统能否成功应用和推广的一个关键问题。因此在生物信号采集模块中m c u 的选 择上，本文通过对目前市场上应用最为广泛的m c u 进行比较，综合考虑性能、 功耗、集成度、价格和开发工具等几个方面的因素，最终采用性价比较高的 m s p 4 3 0 f g 洱3 9 作为核心处理器。 生物信号采集模块的软件设计是以低功耗设计为核心，使单片机在空闲时处 于低功耗状态，各种功能均在中断服务程序中完成。同时，各个模块的工作尽可 能的做到不依靠c p u 的参与，这样就可以充分发挥m s p 4 3 0 的低功耗特性，使 系统由电池供电成为可能。 作为可以应用于科研医疗等领域的仪器，无线生物反馈仪上位机应用软件的 开发至关重要，它是用户使用该仪器的直接窗口。由于时间有限，本文未涉及此 项内容。 关键词：生物反馈仪无线传输蓝牙技术低功耗m s p 4 3 0 天津墅整盔堂堡圭堂垡迨壅 一笪兰生壁堕 a b s t r a c t b a s e d0 nt h et h e o 吖0 fb i o e i e c t r o n i c s ， b i o - f e e d b a c ki n s t r u m e n ti sa s p e c i a ii n s t r u m e n tf b rm e a s ur n gs k i nc o n d u c t a n c e ，t e m p e r a t u r ea n do t h e r s b i 0 1 0 9 yp a r a m e t e r s b i 0 f b e d b a c ki n s t r u m e n th a sp i a y e da ni n l p o r t a n tr o i e i n t h ed e v e i o p m e n th i s t o 吖o fp s y c h o l o gy 1 ti sw i d e i yu s e di nn e u r d 。p s y c h o l o g y i n c l u d i n ge d u c a t i o n a lp s y c h o i o g y ；m e d i c a ip s y c h o i o g y js p o r t sp s y c h 0 i o g y ；a s w e a sv ar - o u sk i n d so t h e rs o c i a ia r e a s w t ht h ed e v e l o p m e n to fb i 0 f b e d b a c kt e c h n o i o g y ；t h e r ea p p e a n e dm a n y k i n d s0 fb i 0 - f e e d b a c ki n s t r u m e n t s c o m p a r e dw i t hf o r e i g np r o d u c t s ，d o m e s t i c p n 3 d u d sh a v eas h o r td e v e l o p m e n th l s t o 吖a n dd o n th a v eal o to fv a r e t i e s t h ea u t h o rp u t sf o n ，a r d ab i 0 - f e e d b a c kj n s t r u m e n tb a s e do nb i u e t o o t h w r e i e s st e c h n 0 i o gy -i tn o to n i yk e e p st h eor g i n a l c h a r a c t er s t i cb u ta i s o f 色a t u r e se a s yt 阳n s p o r t a t i o n a n d e x p er i m e n t f r e e d o m ， s h o w i n gh i g h a p p i i c a t i o nv a i u e c o m p a r e dw i t ht h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fo t h e r ss h o r td i s t a n t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o i o g y j b i u e t 0 0 t ht e c h n o i o g yb e c o m e st h e w i r e i e s st r a n s m ts o i u t i o nb e t w e e nt h eb l o l o g yc a p t u r em o d u l ea n dp cb a s e d o nt h ea d v a n t a g e0 fs i m p i e ，c o n v e n i e n t ，a n dm a t u r es h o r td i s t a n tw i r e i e s s c o m m u n i c a t i o n t h ek e yo fs u c c e s s f u ia p p c a t i o no ft h es y s t e mi sw h e t h e ri th a sg o o d1 0 w p o w e rc o n s u m p t i o nd e s j g n a n ds t a b i ep e r l 0 r m a n c e c o m p ar n gt h em o s t w i d e l vu s e dm c ui n t h em a r k e tf r o mt h ep o i n to fp e r m a n c e ，p o w e r c o n s u m p t i o n ，i n t e g r a t i o ni e v e i ，p r c ea n dd e v e i o p m e n tt o o l ，t h ea u t h o rf n a y c h o s em s p 4 3 0 f g 4 3 9 a st h ec o r e p r o c e s s 0 r ， w h i c hh a sh i g h e r p e r f b r m a n c e pr c er a t i o t h es 0 f 【w a r ed e s i g no ft h eb i o l o g yc a p t u r em o d u i ei s c e n t er i e do ni o w p o w e rc o n s u m p t i o n 1 ni d l es t a t e ，t h es i n g l ec h i pc o m p u t e ri s l n1 0 wp o w e r c o n s u m p t i o nc o n d i t i o n ： a f u n c t l o n sc a nb ea c h i e v e di ni n t e r r u p ts e n ，i c e r o u t i n e m e a n w h e ，t h ew o r ko fa l im o d u i e sc a nb ed o n ew i t h o u ti n v o l v e m e n t o fc p u ，w h i c hf u yd i s p i a y st h e1 0 wp o w e rc o n s u m p t i o na d v a n t a g eo fm s p 4 3 0 ， r e a i i z i n gp o w e rs u p p l yb yb a t t e r i e s i i 丕望竖塾盔堂堡主堂鱼望塞 丛堕型 o o o o _ o o o o o _ 。- _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ - _ - - _ _ _ - _ _ _ - - - - _ _ - - i _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 一二二= = 二二= 一 w i d e i ya p p e dt h ef i e i d s0 fs c i e n t l f i c 陀s e a r ha n dm e d i c a it r e a t m e n t 。 u p p e ra p p i i c a t i o ns o f t w a r ed e v e i o p m e n to ft h ew i r e i e s sb i 0 f 色e d b a c k i n s t r u m e n tl s v e 哆i m p o r t a n t ，f o ri t i st h ed i r e c ti n t e r f a c et h r o u g hw h i c h c u s t o m e r su s et h ei n s ”u m e n t l j m i t e dt ot h et i m e ，t h ep a p e rd o e s n tc o n d u c t r e s e a r c hi n t ot h i sp a r t k e y w o r d ：b i o - f e e d b a c k i n s t r u m e n t ，w i r e i e s st r a n s m l s s i o n 。b i u e t 0 0 t h t e c h n 0 i o g y ：l 0 wp o w e rc o n s u m p t i o n ，m s p 4 3 0 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞竖整盘堂或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文版权使用授权书 期： 本人完全了解天津师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 虫茧 导师签名： 天津师范大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 生物反馈仪在心理学的发展史上有着举足轻重的地位，在社会各个领域都有 着广泛的应用，可应用于教育心理学、医学心理学、体育心理学和军事警察心理 学等多个神经心理学领域。生物反馈系统可在心理学专业教学和实验课程中用于 相关课题的研究以及开展针对于全校师生的心理素质训练，该系统具有很高的应 用价值。 本文围绕着“无线生物反馈系统 这个领域展开。无线生物反馈仪是一种广 泛应用于心理学、医疗和其他相关领域的教学与科研仪器。 本章主要介绍项目背景及论文研究内容。 1 1 生物反馈仪及其应用 生物反馈仪是基于生物电子学原理制造的专门仪器，它可以接受自身提供的 生理变化信息，并通过中枢神经系统的高级机能来调节机体的活动。从临床角度 看，生物反馈仪的意义在于可以科学地调动病人的主观能动作用，使之在疾病康 复过程中起作用；从生理学来看，生物反馈仪的出现和发展，使我们对人脑高级 机能意识的作用，以及人体潜能有了新的认识。生物反馈使我们认识到通过 训练可以使原来认为不能随意支配的平滑肌、心肌及许多植物神经支配的器官的 功能在一定条件和范围内受意志所支配。近代研究表明，心理活动和生理活动之 间存在着紧密的内在联系，这是对无意识的生理活动置于有意识活动控制之下的 物质基础。生物反馈是行为疗法的发展，同时也是一种抗应激作用的手段。生物 反馈仪可应用于教育心理学、医学心理学、体育心理学和军事警察心理学等多个 神经心理学领域。同时生物反馈仪可在心理学专业教学和实验课程中用于相关课 题的研究以及开展针对于全校师生的心理素质训练。 1 1 1 生物反馈仪原理 生物反馈，也被称之为应用心理生理反馈，是以经典条件性反射为原理，反 映了不自主或阈下的生理学习过程，采用电子仪器能够准确测定神经、肌肉和自 动神经系统的正常和异常活动状况，并把这些信息有针对性的进行处理，处理后 的生物信号以视觉或听觉形式呈现出来，使主体得以了解自身的机体状态。并通 过主动的控制来改变原有状态。它在身心之间建立了一个可视的和已证实的联 l 天津师范大学硕士学位论文第一章绪论 系，生物反馈也是运用学习来自我调节自主神经系统以促进健康的一个治疗手 段。生物反馈仪可以反馈给人的信息包括肌肉的紧张度、皮肤表面的温度、脑电 波、脉搏波、皮肤导电量、血压和心率等。 生物反馈也是一种将心理、躯体因素整合在一起的治疗方案。生物反馈，其 关键点就是将一个人躯体功能情况反馈到该人面前，如将心率，或者是皮肤温度 信息反馈到病人面前，目的在于将其功能信息处于他们的调节控制之下。它能帮 助我们注意到我们的心理活动是如何影响我们身体的。通过直接认识和强化期待 中变化，我们开始控制我们的躯体功能。运用生物反馈，病人可以掌握控制身体 状况的能力，从而有助于治疗。从2 5 年前生物反馈治疗被看作是一个“辅助” 治疗手段至今，这项技术已经越来越成为一项主流的治疗技术。它的价值已经得 到了众多专业人士的认可，同时，这项技术的治疗价值也已经得到了医疗保险、 健康保险的认可。 生物反馈的种类主要有：脑电波反馈，肌电反馈，心率反馈，血压反馈，皮 肤电反馈，皮温反馈等。 1 1 2 生物反馈仪的现状及其应用 生物反馈技术于2 0 世纪6 0 年代首先在美国应用于临床医学，目前在全球范 围内广泛应用于医疗、教育、体育、军队及特殊行业。在欧美等先进国家，生物 反馈技术的应用已非常成熟，得到了医疗保险，健康保险的认可，同时建立了规 范的生物反馈治疗师资格考试制度。生物反馈技术近1 0 余年来发展十分迅速， 在美国和欧洲许多国家，临床专业人员都在普遍使用此技术治疗各种中枢神经系 统功能性疾病、心理障碍。生物反馈治疗近3 年在中国逐步开展起来。目前在国 内生物反馈已广泛应用于儿童心理、成人心理、康复医学、教育和运动领域。 目前，应用心理生理学依旧发挥着它在自我调节与学习技能的优势。这一领 域的大量研究和临床资料证实了它是治疗许多特定疾病的重要辅助手段。随着现 代治疗技术的发展以及其他治疗方法的日渐增加，生物反馈技术仍旧是推动那些 未被肯定的一些治疗方法得以进一步完善的动力。 1 1 3 生物反馈仪的意义 生物反馈仪的意义在于它为心理学领域以及心理学领域的各个分支提供了 2 天津师范大学硕士学位论文第一章绪论 直观的、可行的专业手段，为心理学以及以心理学为基础的学科提供了更加专业 的研究方法。 人的心理存在着个体差异。由于各个人先天素质不同，后天的生活环境和受 教育的条件不同，特别是各个人勤奋努力的程度不一样，因此，人们在心理素质 上表现出明显的个体差异。俗话说，人心不同，各如其面，一个人有一个人的特 点。比如，人们的理想、信念、价值观、兴趣、能力、气质、性格等等都存在着 个体差异。就一个人的能力素质而言，不同的人感知、记忆能力不同，思维、想 象能力各异，注意广度大小不一，这些都是客观存在的事实。人的心理的个别差 异性决定了不同的人必须选择适合自己心理特点的职业工种，才能获得良好的工 作效果。而心理测量学正是以数量化的指标来表现人的心理素质的个体差异的一 门应用性科学，它为现代人类的职业选择提供了科学的心理学依据。 神经心理学( n e u r o p s y c h 0 1 0 9 y ) ，是现代心理学中研究大脑神经生理功能与 个体行为及心理历程之关系的一种新方向。神经心理学的研究，旨在了解大脑的 整体及其不同部位，在个体表现某种行为或从事某种心理活动时，究竟发生什么 样的变化。此种构想虽早已存在，但直到近二十年来电脑技术发达后才使构想变 成可能。神经心理学不只是一种研究心理学的技术，更是一种解释行为与心理历 程的心理学理论。经由直接观察在不同意识状态下( 如睡眠、清醒、思考、情绪 紧张等) 大脑各部位的活动情形，即可推论解释大脑的分区专司功能。同时对行 为异常者，也可由之获得资料，做为诊断与治疗之根据。 生理心理学研究范围较广，一切有关人性的问题，总不出身与心两大层面， 属于身体层面者，就必须采用生理心理学的知识来解释。采用生物反馈仪辅助教 学可使心理学的教学更直观、更专业、更系统。 1 2 项目的提出 生物反馈技术发展的同时，各种生物反馈仪应运而生。国外的产品相对成熟， 品种众多，比如：荷兰s p i r i t 1 6 通道3 2 通道认知神经生物反馈仪、荷兰 s p i r i t 一1 0 无线遥测( 蓝牙) 十通道生物反馈仪、加拿大p r o c o m p i n f i n i t i 有 线八通道生物反馈仪和奥地利s c h u h f r i e d 公司生产的b i o f e e d b a c k 2 0 0 0 x p e r t 型生物反馈仪等。这些生物反馈仪不但测量的生物指标比较全，有相关资质认证 3 天津师范大学硕士学位论文 第一章绪论 而且实现了无线传输，给使用者提供了宽松的使用环境，使测量结果更加准确可 靠。同国外产品相比，国内产品起步较晚，产品种类少，而且生物传感器和主设 备之间是通过电缆来连接的，这样对于被测试人员的心理会产生一定的影响，从 而影响测试结果。 虽然国外产品种类多且技术成熟，但价格较国内同类产品高出1 0 倍以上。 综合考虑技术、价格等因素，本文提出并实现了一种基于无线传输的生物反馈仪， 既保证了生物反馈仪原有的功能特性，实现了无线传输，给被试者、患者轻松愉 快的测试治疗环境，又可以填补国内空白，具有很高的经济价值。 1 3 本课题研究的内容和意义 1 3 1 本课题研究的主要内容 无线生物反馈仪由生物信号采集模块和p c 机两大部分组成。本文的组织方 式主要按照生物信号采集模块的研发过程依次展开。针对生物信号采集模块要完 成的功能及其工作特点，从核心处理器的选择、无线传输方案的解决和生物信号 采集方案的实现等几个方面分别论述。本文针对设计中的低功耗问题做了较为详 细的分析，为该课题的实现奠定了坚定的理论基础。 1 3 2 本课题的意义及主要特点 本课题的意义在于可以填补国内空白并具有很高的经济价值。 其主要特点如下： 无线传输蓝牙技术 夺1 2 b i t 模数、数模转换精度 采样频率最高达1 0 0 0 h z 夺为科学研究定制的全面的综合方案，支持脑电、心电、皮温、皮阻、 肌电、 心率、血容量搏动、呼吸等参数的测量，并提供强大生物反馈软件评估系统 多参数反馈，为受试者提供图像、视频、声音等多种反馈形式 低功耗设计，适合电池供电 4 天津师范大学硕士学位论文第二章蓝牙模块介绍 第二章蓝牙模块介绍 人类正在步入数字化网络信息时代，而数字化设备的有线连接给人们随时随 地与信息网络相连和通信带来很多不便。发展无线通信连接技术，将人们从有线 连接的束缚中解放出来，已经成为一种必然趋势。在这方面，移动电话的迅猛发 展就是一个很好的例子，广大用户已经深刻的体会到无线技术所带来的自由、灵 活和便捷。 蓝牙技术使各种移动设备、计算机外设等数字设备之间的无绳廉价连接成为 可能，它不仅取代了这些设备之间的电缆连接，而且还使得许多数字设备的功能 得到了扩充，让原来独立的数字设备可以与其他设备连网交换信息。谁也无法预 测蓝牙技术会带来多少新的应用，在这种可以被集成到几乎任何数字设备的技术 提出以后，人们充分展开想象，提出了许多的应用设想，并且许多蓝牙产品已经 问世。 本章主要介绍了蓝牙技术的基本理论、发展应用简史及其分类，并着重表述 蓝牙串口的特点及应用。 2 1 蓝牙技术的发展 1 9 9 4 年，爱立信移动通信公司开始研究在移动电话及其附件之间实现低功 耗、低成本无线接口的可行性。随着项目的进展，爱立信公司意识到短距无线通 信( s h o r td i s t a n c ew i r e l e s sc o 姗u n i c a t i o n ) 的应用前景无限广阔。爱立信 将这项新的无线通信技术命名为蓝牙( b l u e t o o t h ) 。b l u e t o o t h 取自1 0 世纪丹 麦国王h a r a l db l u e t o o t h 的名字。1 9 9 8 年5 月，爱立信联合诺基亚( n o k i a ) 、 英特尔( i n t e l ) 、i b m 、东芝( t o s h i b a ) 这4 家公司一起成立了蓝牙特殊利益 集团( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，s i g ) ，负责蓝牙技术标准的制定和产品测试， 并协调各国蓝牙的具体使用。自蓝牙规范1 0 版推出后，蓝牙技术的推广与应用 得到了迅猛发展。截至目前，s i g 的成员已经超过了25 0 0 家，几乎覆盖了全球 各行各业，包括通信厂商、网络厂商、外设厂商、芯片厂商、软件厂商等，甚至 消费类电器厂商和汽车制造商加入了s i g 。 2 2 蓝牙技术的特点 蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电 s 天津师范大学硕士学位论文第二章蓝牙模块介绍 脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。从目前的应用来看，由于蓝牙 体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设 备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。蓝牙技术 。的特点可归纳为如下几点： ( 1 ) 、全球范围适用：蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 频段，全球大多数国家i s m 频段的范围是2 4 2 4 8 3 5 g h z ，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申 请许可证。 ( 2 ) 、同时可传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异 步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。 ( 3 ) 、可以建立临时性的对等连接( a d - h o cc o l l i l e c t i o n ) ：根据蓝牙设备在 网络中的角色，可分为主设备( m a s t e r ) 与从设备( s l a v e ) 。 ( 4 ) 、具有很好的抗干扰能力：工作在i s m 频段的无线电设备有很多种， 如家用微波炉、无线局域网( 、m r e l e s sl o c a la r e an e 时o r k ，w l a n ) 和h o m e i 江 等产品，为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用了跳频( f r e q 咖c y h o p p i n g ) 方式来扩展频谱( s p r e a ds p e c 饥吼) ，将2 4 0 2 2 4 8 g h z 频段分成7 9 个频点，相邻频点间隔1 m h z 。 ( 5 ) 、蓝牙模块体积很小，便于集成：由于个人移动设备的体积较小，嵌入 其内部的蓝牙模块体积就更小，如爱立信公司的蓝牙模块r o k l 0 1 0 0 8 的外形尺 寸仅为3 2 8 删 i l 1 6 8 伽 i l 2 9 5 n 蛐。 ( 6 ) 、低功耗：蓝牙设备在通信连接( c o n n e d i o n ) 状态下，有四种工作模 式：激活( a c t i v e ) 模式、呼吸( s n i f | f ) 模式、保持( h 0 1 d ) 模式和休眠( p a r k ) 模式。a c t i v e 模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功 耗模式。 ( 7 ) 、开放的接口标准：s i g 为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准 全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最 终通过s i g 的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。 ( 8 ) 、成本低：随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片 和模块，蓝牙产品价格飞速下降。 6 天津师范大学硕士学位论文第二章蓝牙模块介绍 2 3 蓝牙与其他短距离无线通信技术的比较 近年来，由于数据通信需求的推动，加上半导体、计算机等相关电子技术领 域的快速发展，短距离无线与移动通信技术也经历了一个快速发展的阶段，w l a n 技术、红外( i n f r a r e dr e d ) 通信技术、h o m e r f 技术、蓝牙技术、u w b 技术、紫 蜂( z i g b e e ) 技术以及射频识别( r f i d ) 技术等取得了令人瞩目的成就。 2 3 1 无线局域网( w l a n ) 与ie e e 8 0 2 1 1 标准族 w l a n 顾名思义是一种借助无线技术取代以往有线信道方式构成计算机局域 网的手段，以解决有线方式不易实现的计算机的可移动性，使其应用更加不受空 间限制。i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网( w l a n ) 是i e e e 最初制定的，是计算机网络与 无线通信技术相结合的产物。其缺点是芯片没有进入市场，设备昂贵，空中接力 不好，点对点连接很不经济，不适合小型设备。 2 3 2 紫蜂( z i g b e e ) 技术u 惦 新一代的无线传感器网络将采用8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 协议。z i g b e e 是一 种供廉价的，固定、便携或移动设备使用的，极低复杂度、成本和功耗的低速率 无线连接技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设备中， 同时支持地理定位功能。 z i g b e e 技术的应用范围非常广泛，其中包括智能建筑、军事领域、工业自 动化、医疗设备、智能家居及各种监察系统等。z i g b e e 技术弥补了低成本、低 功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不 是技术本身。 2 3 3 哪b ，超宽带技术 超宽带技术u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 是另一个新发展起来的无线通信技术。 一些公司已开发出u w b 收发器，用于制造能够看穿墙壁、地面雷达和图像的装置， 这种装置可以用来检查道路、桥梁及其他混凝土和沥青结构建筑中的缺陷，可用 于地下管线、电缆和建筑结构的定位。另外，在消防、救援、治安防范及医疗医 学图像处理中都大有用武之地。 u w b 最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网( p a n s ) 。考 7 天津师范大学硕士学位论文 第二章蓝牙模块介绍 察现有的无线通信方式，8 0 2 1 1 b 和蓝牙的速率太慢，不适合传输视频数据； 5 4m b s 速率的8 0 2 1 1 a 标准可以处理视频数据，但费用昂贵。而u w b 有可能 在1 0m 范围内，支持高达1 1 0m b s 的数据传输率，不需要压缩数据，可以快 速、简单、经济地完成视频数据处理。 2 3 4ir d a 红外线数传输技术 i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，他也许是第一个实现无线 个人局域网( p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，p a n ) 的技术。目前他的软硬件技术都很成 熟，在小型移动设备，如p d a 、手机上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的p d a 及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持i r d a 。 i r d a 的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。他还 具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。由于数据传 输率较高，适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小， 传输上安全性高。 i r d a 的不足在于它是一种视距传输，2 个相互通信的设备之间必须对准，中 间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于2 台( 非多台) 设备之间的连接。 而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。i r d a 目前的研究方向是如何解决视 距传输问题及提高数据传输率。 2 4 本课题采用蓝牙技术的原因 蓝牙无线技术是在两个设备间进行无线短距离通信的最简单、最便捷的方 法。蓝牙无线技术在2 4g h z 波段运行，该波段是一种无需申请许可证的工业、 科技、医学( i s m ) 无线电波段。j 下因如此，使用蓝牙无线技术不需要支付任何 费用。低功耗，小体积以及低成本的芯片解决方案使得蓝牙无线技术甚至可以应 用于极微小的设备中。蓝牙无线技术是当今市场上支持范围最广泛，功能最丰富 且最安全的无线标准。全球范围内的资格认证程序可以测试成员的产品是否符合 标准，蓝牙无线技术的设计中就融入了安全理念，由于它在开放的2 4g h zi s m 波段上全球通用，因此一开始就构建入稳固的特性。通过适应跳频( a f h ) ，信号 不断“跳跃”，从而限制了来自其它信号的干扰。另外，蓝牙无线技术还内置有 安全特性，如1 2 8 位加密和p i n 码验证。蓝牙产品使用它们第一次连接时的 8 天津师范大学硕士学位论文第二章蓝牙模块介绍 p i n 码识别彼此，连接后便始终保持安全连接状态。 蓝芽支持点到点和点到多点的连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一 个微微网( p i c o n e t ) ，多个微微网又可互连成特殊分散网，形成灵活的多重微微 网的拓扑结构，从而实现各类设备之间的快速通信。它能在一个微微网内寻址8 个设备( 实际上互联的设备数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8 个， 其中1 个为主7 个为从) 。 对于无线生物反馈仪，要实现的是无线生物采集模块和p c 机之间的无线通 信，由于蓝牙技术比较成熟，因此p c 机端使用现成的产品一蓝牙适配器实现蓝 牙通信，将蓝牙适配器虚拟成串口方便无线生物反馈仪软件的开发。生物信号采 集模块端使用蓝牙模块( 也称蓝牙串口) 进行蓝牙通信，使用起来如同使用串口 一样便捷高效。 2 5 蓝牙模块 蓝牙内嵌式模块，又称蓝牙串口( u a r t ) 适配器，可应用于各种家电、仪器( 如 医疗设备) 等电子信息产品。作为一种线缆取代方案，它可以直接与单片机或处 理器相连，采用即插即用的方式透明地实现设备间的无线数据传输。蓝牙内嵌模 块有主从之分，一个主设备与一个从设备配套使用。当蓝牙内嵌模块硬件电路连 接正确，并且加电启动之后，主从设备会自动建立连接，并且识别与记忆对方设 备，之后用户的设备就可以像使用一条串口线一样地使用蓝牙内嵌模块。蓝牙串 口主要负责将从串口接收的数据转换成蓝牙协议发送给到对方的蓝牙设备，并将 从对方蓝牙设备接收的蓝牙数据包转换成串口数据发送给设备。 蓝牙内嵌式模块除了一对配套使用之外，也可以独立使用。如用户的设备连 接一个从设备的蓝牙内嵌式模块，这样，其它的蓝牙设备如蓝牙p d a 可以搜索到 此内嵌式模块，并且发现其提供的服务，通过此服务可以与其建立连接并进行通 讯。对于用户设备的通讯，仍然像使用串口线一样地使用此模块。 蓝牙内嵌式模块提供了安全认证功能，当用户设置使用安全认证时，连接的 设备必须要进行鉴权，只有通过鉴权的用户才能与其进行通讯，如果是一对蓝牙 内嵌模块，这些过程都将自动完成。 图2 1 所示的应用中用户设备a 与用户设备b 之间使用的是串口线，图2 2 9 天津师范大学硕士学位论文 第二章蓝牙模块介绍 所示的应用中用户设备a 与用户设备b 之间使用的是蓝牙内嵌式模块，而这两者 之间对于用户设备来说是一样的，都认为是一条串口线。 用用 户 串口线 户 设设 备 备 ab 蓝 用 牙 户 u a r t 内 设 嵌 备 式 模 a 块 图2 1 串口连接方式 图2 2 蓝牙连接方式 蓝 牙 用 内 u a r t 产 嵌设 式 备 模 b 块 2 5 1 蓝牙模块的典型应用 串口( u 舢玎) 与u s b 口透明数据传输，适用于串口设备与计算机之间的数 据传输。 主从模块加电自动建链，透明串口传输，适用于工业应用，无需人工干预。 蓝牙模块可以实现： 串口设备与具备蓝牙功能的p d a 之间的数据传送 模块与模块之间实现语音传输 夺模块与蓝牙耳机进行语音传输 令模块作为蓝牙耳机应用 夺模块嵌入手持类设备，扩展蓝牙数据传输、语音传输等功能 2 5 2 蓝牙串口的工作方式 蓝牙串口的功能和传统的串口功能类似，是传统串口的无线替代方案。蓝牙 通信系统的主端为u s b 接口与p c 相连，主端可用蓝牙模块，也可以用市场上 通用的u s b 蓝牙适配器( 蓝牙棒) ，需安装相应的驱动和应用软件。主端也可以 1 0 天津师范大学硕士学位论文 第二章蓝牙模块介绍 是p c 内置蓝牙。从端采用蓝牙模块，u m 汀串行接口，与主端建立连接后，实 现串口到p c 端蓝牙虚拟串口的数据传输。如下图2 - 3 所示。 图2 3 蓝牙串口的工作方式 天津师范大学硕士学位论文第三章m s p 4 3 0 单片机简介 第三章m s p 4 3 0 单片机简介 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器( t d l 9 9 6 年开始推向市场的一种1 6 位超 低功耗的混合信号处理器( m i x e d s i 印a l p r o c e s s o r ) 。称之为混合信号处理器，主要 是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个 芯片上，以提供“单片”解决方案。 3 1m s p 4 3 0 单片机的发展 m s p 4 3 0 系列是一个1 6 位的，具有精简指令集的，超低功耗的混合型单片 机，在1 9 9 6 年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开 发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。 m s p 4 3 0 系列单片机发展的开始阶段，从1 9 9 6 年推出m s p 4 3 0 系列开始到 2 0 0 0 年初，每一系列有r o m 型( c ) 、0 t p 型( p ) 、和e p r o m 型( e ) 等芯片。 随着f 1 a s h 技术的迅速发展，t i 公司也将这一技术引入m s p 4 3 0 系列中。随后 t i 公司将国际上先进的j t a g 技术和f l a s h 在线编程技术引入m s p 4 3 0 。这种以 f l a s h 技术与f e t 开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给 用户提供了一个较为理想的样机开发方式。 另外，2 0 0 1 年t i 公司又公布了b o o t s t r a p 技术，利用它可在烧断熔丝以 后只要几根线就可更改并运行内部的程序。这为系统软件的升级提供了又一方便 的手段。 在2 0 0 3 年中，t i 公司还推出了专门用于电量计量的m s p 4 3 0 f e 4 2 x 和用于 水表、气表、热表上的具有无磁传感模块的m s p 4 3 0 f w 4 2 x 单片机。我们相信 由于m s p 4 3 0 的开放性的基本架构和新技术的应用，新的m s p 4 3 0 的产品品种必 将会不断出现。 3 2m s p 4 3 0 单片机的特点 m s p 4 3 0 系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的 特点： ( 一) 、强大的处理能力。m s p 4 3 0 系列单片机是一个1 6 位的单片机，采用 了精简指令集( r i s c ) 结构，具有丰富的寻址方式、简洁的2 7 条内核指令以及 1 2 天津师范大学硕士学位论文第三章m s p 4 3 0 单片机简介 大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高 效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8 m h z 晶体驱动下指令周期为1 2 5 n s 。 这些特点保证了可编制出高效率的源程序； ( 二) 、在运算速度方面，m s p 4 3 0 系列单片机能在8 m h z 晶体的驱动下， 实现1 2 5 n s 的指令周期。1 6 位的数据宽度、1 2 5 n s 的指令周期以及多功能的硬件 乘法器( 能实现乘加) 相配合，能实现数字信号处理的某些算法( 如f f t 等) ； ( 三) 、m s p 4 3 0 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵 活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6 u s ； ( 四) 、超低功耗。m s p 4 3 0 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低 芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处； ( 五) 、丰富的片上外围模块。m s p 4 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰 富的片内外设。它们分别是看门狗( w d t ) 、模拟比较器a 、定时器a ( t i m - a ) 、 定时器b ( t i m e rb ) 、串口o 、1 ( u s a l 玎o 、1 ) 、硬件乘法器、液晶驱动器、1 0 位1 2 位a d c 、i i c 总线直接数据存取( d m a ) 、端口o ( p o ) 、端口1 6 ( p l p 6 ) 、 基本定时器( b a s i c t i m e r ) 等的一些外围模块的不同组合。m s p 4 3 0 系列单片机 的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便； ( 六) 、方便高效的开发环境。只需要一台p c 机和一个j t a g 调试器，而不 需要仿真器和编程器，就可以实现在线仿真和程序的下载工作。开发语言有汇编 语言和c 语言。 3 3m s p 4 3 0 系列与8 9 c 5 1 系列的比较 我国的多数读者对8 9 c 5 1 系列的单片机是很熟悉的，为了加深对m s p 4 3 0 系 列单片机的认识，我们不妨将两者进行一下比较： 首先，8 9 c 51 单片机是8 位单片机。其指令是采用的被称为“c i s c ”的复杂指 令集，共具有1 1 1 条指令。而m s p 4 3 0 单片机是1 6 位的单片机，采用了精简指 令集( r i s c ) 结构，只有简洁的2 7 条指令，大量的指令则是模拟指令，众多的 寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。这些内核指令均为单周期指令， 功能强，运行的速度快。 1 3 天津师范大学硕士学位论文 第三章m s p 4 3 0 单片机简介 其次，8 9 c 5 l 单片机本身的电源电压是5 伏，有两种低功耗方式：待机方式 和掉电方式。正常情况下消耗的电流为2 4 i i 认，在掉电状态下，其耗电电流仍为 3 i n a ；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2 v ，但是为了保存内部删 中的数据，还需要提供约5 0 u a 的电流。而m s p 4 3 0 系列单片机在低功耗方面的 优越之处，则是8 9 c 5 1 系列不可比拟的。正因为如此，m s p 4 3 0 更适合应用于使 用电池供电的仪器、仪表类产品中。 再者，8 9 c 5 1 系列单片机由于其内部总线是8 位的，其内部功能模块基本上 都是8 位的虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加，但是受其结构本身 的限制很大，尤其模拟功能部件的增加更显困难。m s p 4 3 0 系列其基本架构是1 6 位的，同时在其内部的数据总线经过转换还存在8 位的总线，在加上本身就是混 合型的结构，因而对它这样的开放型的架构来说，无论扩展8 位的功能模块，还 是1 6 位的功能模块，即使扩展模数转换或数模转换这类的功能模块也是很方便 的。这也就是为什么m s p 4 3 0 系列产品和其中功能部件迅速增加的原因。 最后，在开发工具上，对于8 9 c 5 1 来说，由于它是最早进入中国的单片机， 人们对它再熟悉不过了，再加上我国各方人士的努力，创造了不少适合我们使用 的开发工具。但是如何实现在线编程还是一个很大的问题。对于m s p 4 3 0 系列而 言，由于引进了f 1 a s h 型程序存储器和j t a g 技术，不仅使开发工具变得简便， 而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。 3 4m s p 4 3 0 f g 4 3 9 单片机简介 m s p 4 3 0 f g 4 3 x 是德州仪器( t i ) 公司面向便携式医疗应用领域推出的业界第 一款单芯片超低功耗微控制器( m c u ) 。该器件是m s p 4 3 0 产品家族的最新成员，该 器件中的三个高精度运算放大器使m s p 4 3 0 f g 4 3 x 系列的信号链完全可适用个人 血压监控器和脉搏仪( p u l s o x y ) 、p h 以及血糖测量仪方面的应用。 m s p 4 3 0 f g 4 3 x 系列提供的m c u 内含9 个计时器通道，一个2 0 0 k