（模式识别与智能系统专业论文）人体生理参数远程监测装置的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 2 0 0 3 年非典的出现给人们带来了恐慌，心血管疾病一直危害着人的生 命。面对这样的情形，人们迫切希望了解自己的身体状况，摆脱疾病带来的 伤害，得到及时地治疗。论文所提出的生理参数远程监测装置就是为了解决 人们的困扰，随时监测人体的生理状况。利用无线通信技术进行数据的传输， 在医院和社区监控中有着深远的意义。 本文提出了一种基于g s m 短消息方式进行对人体生理参数远程监测的 思想，把测量到的血压、脉搏、体温等生理参数，利用现有的g s m 网络， 通过文本方式进行数据的传输。 装置采用了红外热电堆传感器z t p l 3 5 s r ，选取耳道鼓膜作为测量部 位，对人体体温进行非接触式的测量。根据红外测温的原理，设计出测温电 路，并进行温度补偿算法的研究，实现了红外测温的功能。 装置采用了专用的压力传感器b p 3 0 0 t ，选取手腕的挠动脉作为测量部 位，进行人体血压的测量。根据脉动波时间间隔的原理，计算出舒张压和收 缩压，设计出测量血压的电路，并提出了利用模糊模式识别的方法对高、低 血压进行判定。 装置采用西门子公司的t c 3 5 i 模块，g s m 短消息的方式，对测量到的 人体参数进行远程的传输。根据t c 3 5 i 模块的工作方式，设计出接口电路， 利用串口对g s m 模块进行控制，完成短消息无线传输的功能。 关键词：红外体温血压脉搏t c 3 5 i 模块 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t s a r sh a sb r o u g h tm u c hp a n i ct ot h ep e o p l es i n c e2 0 0 3 ，a n dc a r d i o v a s c u l a r d i s e a s e sh a v eb e e ne n d a n g e r i n gp e o p l e sl i v e s f a c i n gt h i sk i n do fs i t u a t i o n ， p e o p l ea r ee a g e rt ok n o wa b o u tt h e i rh e a l t hc o n d i t i o n ss ot h a tt h e yc a nr e c e i v e t i m e l yt r e a t m e n t ，g e t t i n ga w a yf r o mt h ed a m a g eo ft h ed i s e a s e i nt h i st h e s i s ，t h e p h y s i o l o g yp a r a m e t e rr e m o t em o n i t o rd e v i c eh a sb e e np u tf o r w a r dt om o n i t o r t h e p e o p l e sp h y s i o l o g i c a ls t a t u s a t a n yt i m e t h i s d e v i c eu s e sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yf o rd a t at r a n s m i s s i o n ，w h i c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i nh o s p i t a la n dc o m m u n i t ym o n i t o r i n g b a s e do ng s ms h o r tm e s s a g e s ，t h i sp a p e rh a sp r o p o s e da ni d e ao fb o d y p h y s i o l o g yp a r a m e t e rr e m o t em o n i t o r t h i sm e t h o dc a nm e a s u r ep h y s i o l o g y p a r a m e t e r ss u c ha sb l o o dp r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dp u l s e ，a n dt h e nm a k eu s co f t h et e x tm o d et ot r a n s m i tt h o s ep a r a m e t e r su n d e rt h ec u r r e n tn e t w o r ko fg s m t h ep r e s e n t e dd e v i c ei n t h i sp a p e re m p l o y si n f r a r e dt h e r m o p i l es e n s o r s z t p l 3 5 s - rt om a k en o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n to ft h eb o d yt e m p e r a t u r ew i t ht h e e a r d r u mc a n a ls i t ea st h eo b j e c t i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l eo fi n f r a r e d t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，w eh a v ew o r k e do u tt h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t c i r c u i t ，a n dm a d er e s e a r c ho nt h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h m ，t h u s p e r f o r m i n gt h ef u n c t i o no fi n f r a r e dt h e r m o m e t r y t h ed e v i c eu s e st h es p e c i a ls e n s o r sb p 3 0 0 tp r e s s u r et om e a s u r eh u m a n b l o o dp r e s s u r ew i t ht h er i s i n gw r i s ta r t e r yp o s i t i o na st h eo b j e c t a c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l eo fp u l s ew a v ei n t e r v a l ，t h ed i a s t o l i ca n ds y s t o l i cb l o o dp r e s s u r ea r e c a l c u l a t e d ，a n d t h ec i r c u i to fm e a s u r i n gt h eb l o o dp r e s s u r ei sd e s i g n e d ，w h i c h u s e st h ef u z z yp a t t e r nr e c o g n i t i o nm e t h o dt oj u d g eh y p o t e n s i o n t h ed e v i c ee x p l o i t st h es i e m e n st c 3 5 im o d u l eb yg s ms h o r tm e s s a g et o m a k el o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o no ft h em e a s u r e dh u m a np a r a m e t e r s i nt e r m so f t h ew o r k i n gm a n n e ro ft h et c 3 5 im o d u l e ，w eh a v ed e s i g n e di n t e r f a c ec i r c u i t u s i n g t h es e r i a lc o n t r o lo fg s m ，r e a l i z i n gs m sw i r e l e s st r a n s m i s s i o n c o m p l e t e l y k e yw o r d s ：i n f r a r e dt e m p e r a t u r e ；b l o o dp r e s s u r e ；p u l s e ；t c 3 5 im o d u l e 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，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一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。 签名：，j 照帮力 日期： 嘶s 目7 日 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 勿物 导师 峻嗍研莎8 7 a 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1系统设计的背景和现实意义 1 1 1系统设计的背景 随着社会经济的发展，人民生活水平的不断提高，人们对生活质量的要 求也越来越高。但是由于环境的破坏，污染的加重，各种疾病对人类的生存 和发展提出了新的挑战。2 0 0 3 年，中华大地上非典型性肺炎( s e v e r ea c u t e r e s p i r a t o r ys y n d r o m e ，简称s a r s ) 出现，2 0 0 4 年禽流感爆发给人类的生存 构成了严重威胁。发烧是非典的典型症状，体温是检测是否是非典疑似病例 的重要依据，尽早地监测体温的变化有助于预防非典( s a r s ) 的传播，及 时对患者进行治疗。当今社会心血管疾病己成为威胁人类健康和生命的主要 疾病之一，被世界卫生组织( w h o ) 认定为危害人类健康的“头号杀手”， 心脏病的死亡率居首位。据统计，世界上平均每年约几百万人死于此类疾病， 我国因心血管疾病死亡人数约占总死亡人数的4 4 。特另0 是近年来，高血压 在中老年人群中的发病率不断上升( 据统计已达1 5 2 0 ) ，常常也是引 起心血管系统疾病的重要因素，另外许多心脏病患者是由于未及时发现病变 延误了治疗而导致死亡的。血压是反映心血管系统状态的重要生理参数“， 是检测是否发生心脏病变的重要依据，尽早的了解血压的变化，有助于发现 心血管系统疾病征兆，及时对疾病进行预防和诊治。 我国在医疗器械方面的发展同国外在同领域的发展有不小的差距”1 ，这 不但从科技研讨和科技产品的比较中显露出来，在我国对于抗击疫情的能力 中也暴露了我国在医疗器械方面的不足，甚至可以说是在医疗卫生方面防御 能力和抗击打能力的缺乏。尤其在非典期间，明显地暴露出我国在社区病疫 防控方面存在的技术、装备、措施和管理上的不足。先进的医疗设备必须跟 上人们的需求，这是社会发展的必然要求。 为了应付以上的情况，人们迫切希望出现一套成形的人体生理参数远程 监测系统，能快捷、实时地测出人体的主要生理参数，迅速得知受试者当前 的健康状况，对疾病进行预防和治疗。 远程医疗是近几年来国内外医疗领域内的一个研究热点。它借助远程通 信技术和信息处理技术为远程患者提供医疗服务n ，。我们提出人体生理参数 远程监测装置就是在这种背景下产生的，它是基于对非典的预防控制和心血 管系统疾病征兆的及时发现，利用远程通信手段将检测到的人体生理参数利 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 g s m 网络进行传输，从而完成对患者的远程监测，及时地对疾病的进行预 防和治疗。这也是远程医疗和移动医疗的核心理论，在技术思路上有前瞻性， 在国内是领先的。 1 1 2 课题的现实意义 当今社会随着我国经济的不断发展，入口平均寿命的增加，老龄化结构 的扩大，生活水平提高后人们对高质量生活的追求，对自己健康状况的了解 日益增加，随着各种传染疾病和心血管疾病的蔓延，严重的威胁到了人体的 生命安全，及时和准确的获得人体生理参数是十分重要的。 人体生理参数是人体最重要、最基本的生命指标，对危重病人迸行生命 指标参数的监测是医务工作者及时了解病情状况的重要手段之一，它有利于 对有生命危险的伤病员进行及时有效的治疗和抢救处理。如何准确及时地获 得人体生理参数就需要设计一种装置能随时随地的监测，并能通过g s m 技 术将病人的生理参数资料传输给医生，得到及时的治疗。 目前，各种医疗器械在市场上随处可见，但是一般都是国外的产品“。 国外的产品具有技术先进、质量好、价格高的特点，它引领着医疗行业的发 展。而国内虽然也有一些著名的厂家和产品，但是它们的产品却难以同国外 同行相媲美。提出了人体生理参数远程检测装置的设计，目的是解决国内医 疗器械落后的现实问题。研究本课题，除了能给人们测量人体生理参数保障 健康有很大的帮助外，还能提高我国的医疗器械的水平，促进我国的技术发 展，提高我国的技术竞争力，给人们的生活带来更大的便利。而且在全球先 进技术发展的潮流引领之下，各国进行技术创新还可以促进全球韵科学技术 的发展，使得高科技的发展日趋达到更高的领域，全面保障人们的健康生活， 营造社会的和谐发展。 提出人体生理参数测量装置的设计解决医学测量的现实问题，研究开发 一种新的比较准确测量人体生理参数的仪器。与此同时研究与开发生理参数 远程监测装置，为医院或单位病员监护工作也有着重大意义。 另外在医疗远程监控上，国内是一个空白，在家庭社区建设上，医疗远 程监控是一项不可缺少的服务。生理参数检测模块的开发与设计是为了实现 了随身便携式和智能化，造型设计需要具有人性化的特点，依靠远程医疗监 控系统，患者可以随时随地将各种生命信息传送给远端的医生，及时得到医 疗指导或诊治，这对于患者获得高水平的医疗服务及在紧急情况时的急救支 援，具有重要意义。随着研究的深入和进一步发展，将进一步开发远程医疗 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 监测系统，这样就可监控一些中老年人群、患有各种慢性疾病的患者和亚健 康人群。它可以给予这些人群一个可靠的监测，作到防患于未然，意义十分 重大。 1 2 国内外研究现状及前景分析 1 2 1国内外研究发展现状 目前国内外对于监测人体生理参数的仪器发展很快，出现了很多用于测 量人体生理单参数的便携式仪器。市面上已经有测量血压脉搏等生理参数的 便携式产品出现，但以国外的产品居多。例如：欧姆龙公司推出了腕式电子 血压计，它采用生物信息传感和高性能模糊技术，以先进的传感技术实现正 确的测量：欧西亚公司也有自己研制的腕式全自动电子血压计以及立式全自 动电子血压计：松下公司也推出了电子血压计；瑞士迈克大夫电子血压计； 日精电子血压计和小护士腕式自动血压计等。而国内的同类产品就显得势单 力薄了，无论从技术上还是外观上看都有一定的差距。但令人欣慰的是，在 沿海和东部较发达的地区，有很多公司正在开发此类产品，并且已经取得了 阶段性的成果。例如：厦门华联电子有限公司医疗电子开发部就研制成功了 电子血压计，北京华明康泰医疗器械有限责任公司也自行研制了上臂式电子 血压计。 国外在非接触式体温计方面起步比较早“，而且对非接触式体温计的研 发非常重视，也取得了比较明显的成果。主要产品与开发公司有：德国博郎 集团开发出只需1 秒可测出体温的红外体温计：日本欧姆龙也研制出几款非 接触式红外体温计，b j 4 0 型非接触式医用红外线体温计，精确度为o 2 。c ； w f h x 6 8 a 型便携式红外温度计，分辨率为0 1 。c ，测量精度为- + 0 2 。c ；意 大利的t h e r m of o c u s r e g ，测量精度：o 2 。c 。 我国的红外非接触式体温计主要是非典病情出现以后发展比较迅速，在 短短一个多月的时间里，仪器仪表科技工作者辛勤工作、刻苦攻关，共研制 出4 0 余种规格的用于“非典”病人快速筛检的红外体温检测仪，取得了可 喜的阶段性成果。在产品研发的同时，同步开展了标准、计量校准装置等共 性技术的研究，为产品研发和生产提供了良好的基础。目前已经完成三项抗 非典红外测温仪校准装置，颁布国家标准g b t 1 9 1 4 6 2 0 0 3 红外人体表面 温度快速筛检仪通用技术条件。国内红外体温计主要有：华中科技大学研 制出的“慧眼h w - 0 5 ”人体温度红外热图象仪，其分辨率高达0 0 6 。c ；中 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 科院上海物理研究所也研制出了红外测温仪；兰州大学合华技术应用开发中 心开发的l h w - i 红外线测温仪。 国内外对人体生理多参数监护仪的研究发展也十分迅速，它可以监控体 温、血压、心电等重要参数，例如：m 6 6 e x p r e s s 是宝莱特公司集十多年的经 验最新开发出来的一款多参数监护仪，它是用基于2 4 的内核l i n u x 操作系 统开发研制，植入网络互联功能，直接接入医院已有的局域网或h i s 系统， 具有体积小，监测准确的特点。 目前，远程医疗是近几年来国内外医疗领域内一个重要研究方向。远程 医疗监控系统最初是在军事中运用，用于监测军人的身体状况，。国外早已对 这方面进行了研究。它采用远程通信技术为远地对象提供医疗监控服务的系 统，借助远程通信技术和信息处理技术来实现。数字蜂窝网和远程医疗的结 合是创建移动高效医疗系统的转折点，移动医疗系统在改善护理质量方面是 一个强有力的工具。国内对远程医疗研究起步比较晚，但随着通讯技术的不 断发展和人们对自身健康的要求，国内的各大研究院校已经将远程医疗监控 做为主要发展课题。 1 2 2 课题研究的发展前景 近几年，随着我国国民收入的增长，随着以汽车和住房为代表的消费品 市场的火爆，标志着我国国民的消费水平进入了一个新的阶段。在此阶段， 作为医疗器械重要成员的人体生理参数检测仪器已成为市场消费的热点之 一，深受消费者的喜爱。 医疗器械行业是知识密集、资金密集、多学科交叉、竞争挑战激烈的高 科技产业，它是一个国家制造业和高科技尖端水平的标志之一。2 1 世纪初 是世界生物医学工程技术和医疗器械产业发展的关键时期，在此期间创新能 力将是医疗器械产业技术水平的表征。 由于我国具有庞大的消费群体和政府的积极支持，我国医疗器械市场发 展空间广阔。医疗器械是壁垒较高的行业，并且属于国家重点鼓励发展的行 业。近年虽然全球整体经济不景气，但医疗器械行业仍然保持较高的增长速 度。美国宏观经济几乎停滞，但医疗器械的增长率一直保持在9 左右。我 国医疗器械产业近年一直保持在1 5 左右的高速增长。2 0 0 3 年上半年的一 场“非典”疫情，尽管给整个社会的经济和生活带来了极大冲击，但对于医 疗器械行业却似乎是一个难得的良机，很多与“非典”相关的医疗器械出现 供不应求的场面。随着我国宏观经济将进入另一个稳定增长周期，今后几年 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 中国市场对医疗器械的需求将一直保持强劲势头。我国已成为世界上最大常 规医疗器械市场，且对高技术医疗设备的需求也有巨大的潜力，我国一批高 技术医疗设备企业开始成长起来，但跨国公司对中国市场的渗透也是有增无 减。随着经济增长、科技进步、人民物质生活改善，卫生健康事业迅速发展， 人们对医疗保健的需求大大提高，“入世”给中国医疗器械产业带来“挑战” 的同时也带来了空前的机遇，医疗器械产业已经作为一个新的经济增长点展 现在我们的面前。 与此同时，远程医疗是现代医学领域的一大突破，是通讯科技与医疗技 术结合的产物，它通常包括：远程诊断、信息服务、在线检查等几个主要部 分，它以计算机和网络通信为基础。远程医疗监控在医学专家和病人之间建 立起全新的联系，使病人在原地、原医院即可接受远程专家的治疗与护理， 从而节约病人大量的时间和金钱，在一定程度可以减少了病人的支出。人民 群众的生活水平也越来越高，对自我保健提出了更高的要求，而医疗资源的 有限性使得建立远程医疗监控系统成为下一阶段医疗系统发展的必然趋势。 1 3 本课题的主要研究工作内容 本课题的主要研究工作是设计出一种可以测量人体生理多参数的便携 式装置，它可以随时随地的检测人体的生理参数，这些参数都是与人体的健 康密切相关的，比如体温，血压等。它们测量的准确性直接关系到人们身体 的健康程度，同时，还可以将这些测量到的数据通过g s m 短消息的方式进 行远程的数据传输。 本课题研究的工作内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 通过查阅相关文献资料，了解人体生理参数( 体温和血压) 在医 疗保健上的重要意义，并吸收国内外在此课题己经取得的研究经验成果：了 解t i 公司的m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机工作原理，根据第三方的集成开发环境i a r e w 4 3 0 嵌入式工作台，采用1 2 4 3 0 语言进行系统的软件设计及硬件仿真；了 解西门子公司g s m 模块t c 3 5 i 的工作方式，学习常见的a t 指令和短消息 编码。 ( 2 ) 根据医疗仪器设计规律及现有的实验条件，进行相关的可行性分 析及方案设计。在满足系统设计性能设计要求前提下，进行元器件的筛选购 买、硬件设计，并针对各个功能模块在实验板上进行调试。 ( 3 ) 研究出利用红外温度传感器对人体体温进行非接触式测量的装置， 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 设计出测温电路，同时进行温度补偿算法的研究。 ( 4 ) 研究出利用压力传感器对人体血压、脉搏测量的装置，依据经典 的示波法，在其基础上，提出了基于脉动波时间间隔长短的原理，对收缩压 和舒张压进行判断，设计出测量血压、脉搏电路，并初步研究了如何利用模 糊模式识别的方法对高、低血压进行判定。 ( 5 ) 通过串口将单片机与g s m 模块相连，利用短消息的方式完成人体 生理参数的远程传输。 本课题提出了一种可以同时测量血压、脉搏和体温的人体生理参数监测 装置，利用了g s m 短消息的技术，实现了对人体生理参数的远程传输。这 是研究远程医疗和人体监控系统的前提，实现生理参数的实时监控是重要的 研究内容。 1 4 本课题的来源和论文的结构安排 1 4 1课题的来源 本课题来源于四川省科技厅科技攻关项目： 生理参数远程实时监测系统研究与开发 生理参数远程实时监测系统项目将研究开发一种新的社区医学监测( 医 院或单位病员监护) 的体系与模式，即以中心信息处理服务系统和随身便携 式检测终端为支柱，以g s m 公共短信平台为联系纽带的系统结构，实现宽 范围、大容量的指定人员的医学监测，接受医学监测的人员被约束程度因人 而易( 人性化强) ，监测数据可实时、自动采集上传，社区、医院或单位能 及时掌握面上动态，获得统计分析数据，正确决策，有效行动。 科技攻关硕目的主要设计思路： 。 ( 1 ) 随身便携式检测终端其功能是对医学监测人员的体温和血压等指 定生理参数通过随身检测模块进行监测( 有的信号采用无线遥测) ，对获取 数据以二进制数编码通过g s m 短信定时或按设定方式与中心信息处理服务 系统进行数据交换，使监测数据实时地送往社区或医院监护中心交医生处 理，能够及时得到医生诊断结果和治疗意见。 ( 2 ) 中心信息服务系统主要包括以下方面： g s m 无线接收系统能够通过g s m 网络接受终端机发送来的参数，保 证参数接受的准确性。 中心数据库系统，采用成熟的数据库开发工具，如p o w e r b u i l d e r ， 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 s q l s e v e r 等，建立一个对应每一终端用户信息的数据库。 用户信息分析，报警，解决方案系统。在数据库的基础上，开发一个 基于现代医疗技术的数据分析子系统，定期对用户的资料进行遍历，对生理 参数出现危险的用户发出警报( 该警报由终端接受并直接告之用户) 。同时， 该系统根据当前的情况自动给出建议应急方案，也由终端告之用户。 1 4 2 论文的结构安排 第一章为绪论，主要介绍了课题的背景和意义，人体生理参数远程监测 系统在国内外发展现状及前景，以及本课题的主要完成工作内容。 第二章为人体生理参数远程监测装置的总体设计研究，主要介绍我所设 计的装置的主要组成部分，包括人体生理参数的信号采集，模拟处理、数字 处理、信息输出。初步介绍系统设计性能的要求，m s p 4 3 0 单片机的硬件特 性等。 第三章为体温模块设计研究，首先列举利用红外传感器来测量体温的原 理，根据原理找到红外测温的方法和温度补偿算法，介绍我所选用的红外温 度传感器，设计出温度采集电路，对温度信号进行处理，显示。这部分的研 究在2 0 0 6 年的微计算机信息第2 2 卷第1 4 期和2 0 0 6 年的国外电子元 器件第4 期上发表。 第四章为血压、脉搏模块设计研究，首先列举了测量血压和脉搏的方法， 根据现有的条件，选用基于脉动波时间间隔原理来进行血压的测量，同时还 初步研究采用模糊模式识别的方法对高、低血压判定的研究。介绍我所选用 的压力传感器，设计出测量血压和脉搏的电路，对信号进行处理和显示。这 部分研究内容在2 0 0 7 年北京生物医学工程第二期上和2 0 0 7 年计算机 工程7 月份发表。 第五章为g s m 远程数据通信模块设计研究，首先介绍g s m 通信的原 理，西门子t c 3 5 i 的硬件结构，其次介绍利用短消息方式进行数据通信的 a t 指令和编码方式，设计好t c 3 5 i 的硬件接口电路图。最后，通过g s m 短 消息的方式完成对人体生理参数的远程传输。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 生理参数远程监测装置体系结构 2 1系统总体体系结构概述 人体生理参数主要包括心电、脑电、肌电等生物电信号和体温、血压、 呼吸、脉搏、心音、血氧饱和度等非电量信号。从信号本身特征到提取方式， 它都不同于工业中的信号，而有其特殊性。作为信号源的人体，是极为复杂 的生命系统，它至今尚未被人类完全认识，所以人体生理参数的提取和处理， 是自然科学领域中难度最大的领域。 本课题所研究的生理参数远程监测装置可用以下框图来概括，主要由四 个部分组成：生理信号采集，生理信号处理、生理信号输出、生理信号传输。 这四部分的功能可以简要描述如图2 - 1 ； 生生生生 理理理理 信信信 信 号号号号 采处输传 集理出输 图2 - 1人体生理参数远程监测装置结构框图 f i g 2 - 1 s t r u c t u r ed i a g r a mo fp h y s l 0 i o g i c a lp a r a m e t e r sr e m o t em o n i t o r ( 1 ) 生理信号采集：通过电极和传感器拾取人体生理参数信号，并将 温度、压力等其它信号转化为电信号“1 。 ( 2 ) 生理信号处理：主要包括模拟处理和数字处理，模拟处理是通过 模拟电路对采集的信号进行阻抗匹配、过滤、放大等处理；数字处理主要由 模数转换器、微处理机、存储器等组成。 ( 3 ) 生理信号输出：显示文字、图形，启动报警和打印记录等。 ( 4 ) 生理信号的传输：利用现在的通讯技术，如计算机网络，g s m 通 信网将信号进行传输。 本课题研究的生理参数远程监测装置是便携式的，同时测量体温、血压 脉搏，通过g s m 短消息技术进行无线传输的装置。它主要包括七大模块： 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 血压脉搏检测模块、体温检测模块、中央处理模块、电源管理模块、液晶显 示模块、通信处理模块及日历时钟管理模块。如图2 2 ： 体温检测模块 血压、脉搏 检测模块 日历时钟管理模块 中央处理模块 微处理器m s p 4 3 0 f 4 4 9 本地显示模块 g s m 通信模块 串行通信模块 电源管理模块l 一低压监测l 一报警 围2 - 2便携生理参数远程检测装置的组成框图 f i g 2 - 2c o m p o n e n td i a g r a mo fp h y s i o l o g i c a ip a r a m e t e r sp o r t a b i er e m o t em o r t i t o r 本装置是一种可以测量人体生理多参数的便携式仪器，生理参数测量的 准确性直接关系到人们的身体状况。该装置可以将这些测量到的数据通过 g s m 短消息的方式进行远程传输。 下面简单介绍每个功能模块的功能，其中体温检测模块、血压检测模块 和g s m 远程通信模块将单独章节讲述，它们是生理参数远程监测装置研究 的关键技术。 2 2 电源设计模块 2 2 1电源电路概述 对于所研究的人体生理参数远程监测装置，它是一个便携式的测量人体 生理参数的仪器。便携式产品应当体积小、重量轻、功耗低、便于携带，对 于这类产品，电源设计是十分重要的。 电源设计中重点是要配置电源，设置电源管理，当电源过低时，采用蜂 鸣器报警的方式，及时提醒用户。 监测装置电源模块设计如图2 3 ： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 - 3 人体生理参数远程监测装置电源管理模块圈 f i g ，2 - 3 p o w e rm a n a g e m e n tm e d u i a rc h a r to fp h y s i o i o g i c a ip a r a m e t e r sr e m o t em o n i t o r 2 2 2电源电路的硬件选型和设计 本装置的供电电压采用了+ 6 o v ，可以用4 节5 号干电池进行供电，考 虑到硬件系统对电源要求具有稳压功能、纹波小和低功耗的特点，因此该硬 件装置的电源部分采用了t i 公司的t p $ 7 6 0 3 3 稳压芯片来实现，该芯片具有 很小的封装，可以节省空间。 t p s 7 6 0 3 3 是5 0 m a 、低压降( l d o ) 稳压器，专门设计用于电池供电的 应用。其主要特性：5 0 m a 低压降稳压器，在关闭方式下静态电流小于1 z a ， 固定输出电压为5 0 v 、3 8 v 、3 3 v 、3 2 v 和3 0 v ，工作结温范围从4 0 。c 1 2 5 0 c ，5 个引脚s o t 2 3 ( d b v ) 封装，降落电压在5 0 m a 时典型值为1 2 0 m v ， e s d 保护可达1 5 k v 人体模型( h b m ) ”。 电源具体电路如图2 4 ： e ng n di n n co u t 一 一 15 一+ 3 v 一 三c 1u _ 备 c 2 l 0 l u f2 a l= q l 亡j 三0 一 4 0 1 孟广 i 一l n c n oi m e ma lc o n n e c f l o n = ?i 图2 - 4t p s 7 6 0 3 3 管脚图及电源电路图 f i g 2 - 4 p i na s s i g n m e n to ft p s 7 6 0 3 3a n dp o w e rc ir c u i t 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 对模拟电路供电时，还要设计电源转换电路，需要一个3 v 的供电电压， 来满足设计要求，这就需要个电源转换芯片，我选择了m e 7 6 6 0 ，它具有 价格便宜、外围元件少、体积小的特点。 m e 7 6 6 0 是一款d c d c 电荷泵电压反转专用集成电路。其主要特性：输。 入工作电压范围在1 5 v 1 0 v ；电压转换精度为9 9 9 ；电源转换效率为 9 8 ；静态电流为9 0u a ( 输入5 v 时) ；外围元器件少，便于使用，只需两只 外接电容；静电击穿电压高，可达3 k v ；高电压工作时，无需二极管需求； 封装形式为s o p 8 。 电源转换电路如图2 5 ： 。 i o u f ! r 2 - 5电源转换电路图 f i g 2 5 t h ec ir c u i to fp o w e rt r a n s f o r m a t i 0 1 1 论文还设计了低压检测功能，可以在电源电压低于3 v 时提供报警的功 能，同时重新运行微处理器。在测量人体参数的间隔期间，还可以停止对模 拟电路的供电，仅保留对数字电路供电，在装置停止工作时，m s p 4 3 0 单片 机可以进入休眠模式，这样就可以大大的降低功耗。 2 3 中央处理模块 2 3 1中央处理模块概述 针对于所研究的人体生理参数远程监测装置的特点，需要一个供电电压 比较低的，体积小，功耗低，运行速度快的微处理器作为主要的控制芯片， 所以采用了t i 公司的1 6 位超低功耗m s p 4 3 0 系列单片机作为中央处理模块。 同时由于要在装置上测量多个人体生理参数( 血压、脉搏、体温) ，所以需 要a d 转换端口进行数据处理。所以就选取了m s p 4 3 0 系列单片机中的 m s p 4 3 0 f 4 4 9 作为主要的控制芯片m 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 m s p 4 3 0 f 4 4 9 微处理器的主要特性： 工作电压：1 8 3 6 v ； 超低功耗：活动模式为2 8 0 口a m i p s ( m i p s ：每秒百万条指令) ； 待机模式为1 1 卢a ，上电模式( r a w 数据保持) 为0 1 9 a ； 具有5 种节电模式，待机到唤醒的响应时间不超过6 us ； 1 2 位a d 转换器带有内部参考源、采样保持； 1 6 位精简指令结构( r i s c ) ，1 2 5 n s 指令周期； 具有3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器：定时器a 和定时器b ； 串行通信可软件选择u a r t s p i 模式； f l a s h 存储器多达6 0 k b ，r a m 多达2 k b ： m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机一共有1 0 0 个管脚的( o f p 封装) ，体积很小。 2 3 2m s p 4 3 0 f 4 4 9 外围电路设计 中央处理模块的主要功能是将外围模拟电路输入来的模拟信号通过片 内1 2 位a d 转换为数字信号m ，在单片机内进行数据处理，通过液晶进行 显示，通过串口进行与g s m 模块通信，外围电路如图2 - 6 ： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 圈2 - 6m s p 4 3 0 f 4 4 9 外围电路图 f i g 2 6 m s p 4 3 0 f 4 4 9e x t e r n a ic ir c u i t 如上图所示，采用了一个3 2 k 晶振作为时钟信号，设计了单片机供电的 电源电路，其中的o 0 1 p f 电容为滤波电容，可以很好的滤去电路中的干扰 信号。同时还设计了一个单片机复位电路，当遇到程序当机和测量不出来的 时候，可以利用复位按钮，把单片机重新启动，重新运行程序，测量出人体 生理参数数值。 2 3 3m s p 4 3 0 a d 转换软件设计 所设计的装置是把通过压力传感器采集到的血压信号和脉搏信号转换 成电信号，把温度传感器采集到体温信号转换成电信号，分别输入到单片机 的d 转换模块中n 儿”一，通过模数转换变成数字量，存入单片机的r a m 中， 这样才能被m s p 4 3 0 单片机处理和控制。模数转换常用的工作方式是查询发 式和中断方式，所采用的是中断方式，通过中断对数据进行采样，这样可以 很好的节省单片机处理器的工作。m s p 4 3 0 模数转换提供了4 种转换模式。 对于温度采集时利用了单通道单次转换，它可以实现对单一通道的一次 采样与转换，转换完成后把采样结果写入指定的寄存器，并把相应的中断标 志位置位，如果允许中断则发生中断，若不允许中断也可通过判定标志位来 确定是否读取指定的寄存器数据。 对于血压和脉搏采集时利用了双通道单次转换模式，它可以实现对两个 通道的一次采样与转换，转换完成后分别将采样结果写入指定的寄存器，并 把相应的中断标志位置位，如果允许中断则发生中断，进行读取寄存器中的 数据，若不允许中断也可通过判定标志位来确定是否读取指定的寄存器数 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 据。 模数转换完的数值一般都a d c m e m i 这个寄存器中，只需要将数值分 别按照血压p r e s s u r e l i ，脉搏p u l s e i 】，红外温度t e m p e r a t u r e i ，环境温度 t e m p e r a t u r e l i 进行存储，然后再利用单片机对数据进行处理，分别计算出 血压值，脉搏和温度值。 模数转换程序主要包括初始化a d c l 2 ，a d c 中断处理程序。主要涉及 到的子函数为： v o i dl n i ta d c l 2 ： i n t e r r u p t 【a d c _ v e c t o r lv o i da d c l 2 ( v o i d ) a d c 中断处理程序。 2 。4 液晶显示模块 2 4 1 液晶模块概述 对于所设计的便携式的人体生理参数远程监测装置，人机晃面是装置中 一个非常重要的组成部分，由于液晶显示器( l c d ) 具有功耗低，体积小， 质量轻等特点，所以设计的装置就采用了液晶显示的方式，可以直接利用液 晶模块显示出受测者的生理参数，主要包括，血压( 舒张压和收缩压) 、脉 搏值和体温值。 采用的图形点阵液晶m g 1 2 2 3 2 ，m g 一1 2 2 3 2 模块供电电压为3 v ，工作 电流为o 3 m a ，很适合便携式低功耗3 v 供电的环境，该模块可显示范围为 1 2 2 x 3 2 点阵，采用了驱动芯片是两片s e d l 5 2 0 f o a ，每一片的驱动芯片可以 驱动1 6 行x 8 0 列w 。 该模块具有1 8 个管脚：d o d 7 为数据总线；a 0 为数据指令选择信号； r e s 为接口时序类型选择；e 1 、e 2 为使能管脚，分别控制m g 1 2 2 3 2 的两 个显示区；r w 为读写控制管脚，r w 为1 时，为读信号，r w 为0 时， 为写信号：v o 为液晶对比度电压；s l a 、s l k 为背光灯管脚，用于控制背 光的点亮。 2 4 2 液晶模块硬件连接 本液晶模块中的d o d 7 为数据总线，把它连入单片机的p 3 口，a 0 ，e 1 ， e 2 ，r w 管脚连入单片机的p 2 口，利用通用的数字i 0 口对液晶模块进行 控制，主要的电路如图2 7 ： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 j2 蓁霪 v l 墨! 丝兰 墼声= 弓! 然曼 。一 e 15 圈2 - 7液晶连接电路图 f i g 2 7l i t l u i dc r y s t a i iin kc ir c u i t 2 4 3 液晶模块软件设计 对于液晶模块的软件设计主要是对模块进行读写操作，从而显示出所测 量的人体生理参数的数值。把通过m s p 4 3 0 微处理器通过d 转换过来的数 据通过液晶读写操作显示出来，达到直观效果。 整个程序主要包括液晶模块的初始化，控制管脚电平模拟，对液晶模块 进行写操作。主要初始化p 2 口为输出方向，对p 2 口进行编程，让它可以输 出高或低电平来控制液晶显示，对液晶主要是显示初始化p 3 口，对p 3 口进 行写入数据，从而达到显示数值的功能。 主要涉及到的主要子函数为 v o i di n i t p o r t ( v o i d ) 初始化p 2 口； v o i dl c di n i t ( v o i d ) 液晶初始化； v o i dw r i t c d a t a ( i n tn z o n e ，c h a rn v a l ，c h a rn a d d r ) h 写入数据； v o i dd i s p l a y o n ( i n tn z o n e ) 显示数据。 2 5 串行通讯模块 2 5 1串行模块概述和硬件连接 在设计过程中，充分的考虑到通信和数据存储的问题，所以设计了装置 与计算机之间的通信问题，通过多方面的考虑，采用了现在常用的串行通讯 的方式进行数据传输。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 r s 2 3 2 c 是目前最常用的串行接口标准，它可以实现单片机与单片机、 单片机与p c 、p c 与p c 之间的通讯，通信距离可达1 5 米。r s 2 3 2 c 规定的 逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平是不一致的。因此在应用中， 必须把为微处理器的电平( t t l ) 转换为r s 2 3 2 c 电平。本系统串行通讯采用 m a x 3 2 1 1 实现逻辑电平的转换。 m a x 3 2 1 1 是一款常用的r s 2 3 2 c 串口驱动芯片，主要的特性： 宽电压供电：3 v 5 5 v ； 上传速度可以达到2 5 0 k b p s ； 低功耗电流为l 口a ； 外接电路简单，只需要4 个0 1 肼f 的电容。 根据m a x 3 2 1 1 的特性，满足便携式的要求，可以用于电池3 v 供电， 并且有1 6 个管脚，采用了s s o p 封装形式，体积小，外接的电路简单，使 得在设计电路时减少了元器件的使用。不但可以通过串口同计算机相连，还 可以通过串口与g s m 通信模块相连，通过程序实现远程的通信的功能。