（物理电子学专业论文）基于蓝牙的无线体域网研究.pdf

摘要 摘要 近年来“无线体域网”( w b a n ，w i r e l e s sb o d ya r e an e t w o r k ) 正在成为国 际上的研究热点。w b a n 是以微电子技术为基础，通过与生物传感器及通信工 程相结合，构成生命信息获取、处理、传输及执行功能的微系统。 本课题旨在利用蓝牙技术实现一种能够对人体体征参数实时检测的无线体 域网。系统采用1 1 公司的m s p 4 3 0 单片机作为控制器，利用无创双光束测量法 采集人体数据，指夹血氧探头中的红光发射管和红外光发射管交替点亮，探测 光透过手指后被血氧探头内的光敏二极管采集，经滤波放大电路后由m s p 4 3 0 片内a d 转换为数字信号，在以朗伯比尔定律为理论基础对数据进行处理后得到 脉搏血氧饱和度值，使用数字温度传感器d s l 8 8 2 0 实现对人体体温参数的信号 采集，然后将以上数据通过异步串口传输给g c 0 6 蓝牙模块，并发送至采用 w i n d o w sc e 系统的手持终端显示，手持终端接收程序在v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 下用 c + + 语言编写。 该系统测量速度快、结果准确，且具有体积小、重量轻、成本低、操作简 单、节能、无线传输等特点，有很高的实用性和推广价值。 关键词：无线体域网，血氧饱和度，蓝牙，w i n d o w sc e a b s t r a c t ab s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w b a n ( w i r e l e s sb o d ya r e an e t w o r k ) i sb e c o m i n gah o tt o p i c i n t e r n a t i o n a l l y w b a ni sb a s e do nm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g yu s e i n gb i o l o g i c a l s e n s o r sa n dac o m b i n a t i o no fc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n gt oc o n s t i t u t et h el i f e i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n g ，t r a n s m i s s i o na n de x e c u t i o no ft h em i c r o - s y s t e m f u n c t i o n t h i sp a p e ra i m sa tt a k i n ga d v a n t a g eo ft h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yt oa c h i e v ea r e a l - t i m ed e t e c t i o nw b a no nb o d yp a r a m e t e r s t h es y s t e mu s e st im s p 4 3 0s i n g l e c h i pa st h em c u t oc o l l e c th u m a nd a t a ，w i t hn o n - i n v a s i v ed u a l r a ym e t h o d s t h e d a t a sp r o c e s s i n gf o l l o w st h et h e o r yo fl a m b e r t b e e r , t h e nw ec a ng a i nt h ev a l u eo f o x y g e ns a t u r a t i o no fb l o o da n dp u l s er a t e t h ed a t ao fb o d yt e m p e r a t u r ep a r a m e t e ri s c o l l e c t e db yd i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o rd s18 8 2 0 a l lo ft h ed a t ap r o c e s s e dw i l lb e s e n tt od i s p l a yo nt h ew i n d o w sc eh h t ( h a n d - h e l dt e r m i n a l ) t h r o u g ht h eb l u e t o o t h m o d u l e t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mo fh h ti sd e v e l o p e d b yc + + l a n g u a g e t h i ss y s t e mr a i l sf a s ta n da c c u r a t e l yi nm a n yt e s t s i td e s e r v et ob es p r e a d e d w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，l o wp r i c e ，e n e r g ys a v i n g ， w i r e l e s s ，e t c k e yw o r d s ：w b a n ，o x y g e ns a t u r a t i o no fb l o o d ，b l u e t o o t h ，w i n d o w sc e i i 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0 年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓名学号答辩日期年月日 论文类别博士口 学历硕士口硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院，系所 专业 联系电话e m a i l 通信地址( 邮编) ： 备注：是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第章引言 11 1 无线体域网概念 第一章引言 第一节无线体域网概念 无线体域网w b a n ，b 1 w i r e l e s s b o d y a r e a n e t w o r k ，就是以人体为中心，由 和人体相关的网络元素( 包括个人终端，分布在人身体上、衣物上、人体周围 一定距离范围如2 米内、甚至人身体内部的传感器、组网设备等) 组成的通信 网络。通过w b a n ，人可以和其身上携带的个人电子设备如p d a 、手机等进行 通信，数据同步等。通过w b a n 和其它数据通信网络比如其他人的w b a n 、无 线，有线接入网络、移动通信网络等成为整个通信嘲络的一部分，和网络上的任 何终端如p c 、手机、电话机、媒体播放设备、数码相机、游戏机等进行通信。 w b a n 将把人体变成通信网络的一部分，从而真正实现恻络的泛在化可 穿戴的计算( w e a r a b l ec o m p u t i n g ) 、无所不在的计算( u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 也将随 着w b a n 的普及应用成为人们日常生活的基本特征。 w b a n 其实是一个交叉技术领域和无线通信巾的很多现有领域有着密切 的关系。技术发展中也存在一些需要深入研究的问题。同时一项技术的成功应 用和标准的制定也有着密不可分的关系”】。 112 无线体域网的应 用 从目前业界的研究来 看w b a n 的主要应用场 景有如下儿个：( 1 ) 人体 传感器网络；( 2 ) 人体( 健 康1 状况监控；( 3 ) 可穿戴 的媒体播放：( 4 ) 以移动 冒一 第一市引言 通信终端为中心的应用；( 5 ) 视频流应用；( 6 ) 远程控制| 3 j 。 1 人体传感器网络 人体传感器网络的应用场景如图1l 所示。主要可用于病人的监护，生理 参数的检测等。备种传感器可以把检测数据通过无线方式传送到专用的监护仪 器、或者各种通信终端上如p c 、手机、p d a 等。目前研究认为，人体上或者 内部大约可以布署1 0 2 0 个备类传感器，总的数据传输流量 l o k b p s 。 2 人体( 健康) 状况腋控 可以对于人体的各种状况进行监控，将数据传送到各种通信终端上。监控 的对象不一定足病人，也可以是正常人。总的传输流量 光电模拟信号 控制信号 图3 3 脉搏血氧饱和度检测模块的总体结构 整个检测模块由微控制器及其外围电路、光源驱动电路、血氧探头、前端 信号预处理电路、信号调理与计算电路、按键控制与电源电路等部分组成。 首先两路脉冲由m s p 4 3 0 单片机周期性地交替发出到光源驱动电路，这两 路脉冲经过光源驱动功率放大后送到指夹式血氧探头的红光和红外光发射二极 管上，使得它们周期性地发射红光和红外光。检测时，将指夹式探头夹在人体 手指上，光脉冲透过手指后被光敏二极管接收后转换为电压信号。当手指动脉 搏动时，通过手指的动脉血液流量发生变化，透射过的光强随之变化，所得到 的转换后的电压信号也相应地发生改变。这两路波动信号经过单片机内置的两 级放大器均衡放大后，进行红光红外光分离和交直流分离，再经过数字低通滤 波后两路信号基本平稳，然后进行a d 转换并由m s p 4 3 0 单片机进行数字信号 处理，求得人体的脉搏和血氧饱和度的值。 3 3 1 血氧探头结构 指夹式血氧探头由两部分组成，即发射部分( p h o t oe m i t t e r ) 和接收部分( p h o t o 2 6 第三章体征参数檎测系统硬件设计 d e t e c t o r ) ，其巾，发射部分由红光发射管和红外光发射管目l 成，接收部分巾光敏 二极管( p i n d i o d e ) 构成。木谍题所使用的血氧探头立图所示，红光波长为6 6 0 n m ， 红外光波长为9 4 0 n m 。 33 2 血氧探头驱动电路 图3 4 指夹式血氧探头 本课题需要血氧探头的两路发光管( 红光、红外光) 交替发光进行信号采集。 由于在指夹式探头中，两个发光管是首尾对接，因此在此用到了一个h 一桥电路， 如图所示： 图35 光源驱动电路 上图中单片机的p 22 u 和p 23 口负责驱动补给电路部分；1 个片内d a c 0 模块 2 7 第三章体征参数检测系统硬件设计 负责调节通过两路发光管的电流大小，从而控制红光和红外光的发光强度。 在m s p 4 3 0 f g 4 3 7 中，通过软件控制d a c 控制寄存器可以使内置的1 2 位 d a c 0 与m c u 的p i n 5 或p i i l l o 相连，配合p 2 口可以控制血氧探头的两种状态 交替出现： 一、 p 2 2 为低电平、p 2 3 为高电平、d a c 05 为低电平、d a c 01 0 为 高电平时，三极管q 1 、q 4 导通，q 2 、q 3 截止，红光灯点亮； 二、p 2 2 为高电平、p 2 3 为低电平、d a c 05 为高电平、d a c 01 0 为 低电平时，三极管q 1 、q 4 截止，q 2 、q 3 导通，红外光灯点亮。 通过使用m c u 的定时器和相应中断，可以使红光和红外光分别以5 1 2 h z 的频率交替点亮。 眩2 | 厂 il 厂 l l 厂 一一 眩3 厂 ；厂 li 厂 i 咖q5i 厂 ii 厂 ii 厂 。岫，q 厂 ii 厂 il 厂 l ： ： ： 红灯点亮：红外灯点亮红灯点亮：红外灯点亮：红灯点亮：红外灯点亮 图3 6 血氧探头控制信号时序图 3 3 3 前端信号预处理电路 本部分电路在硬件上主要由m s p 4 3 0 f g 4 3 7 内置的两个放大器o a 0 、o a l 构 成，如图所示。当经过手指的血液流量发生变化时，透过手指的光强也发生变 化，这种变化引起光敏二极管产生变化的电流，即由光信号变为电信号。该电 流信号被送入m s p 4 3 0 f g 4 3 7i 为置的放大器o a 0 进行放大，由于电流信号十分微 弱，因此需要放大器拥有极小的漂移电流【2 。 第三章体征参数检测系统硬件设计 图3 7 前端信号预处理电路示意图 o a 0 的输出信号中包含一个较大的直流分量( 约1 v 左右) 和一个较小的交 流分量( 峰一峰值3 0 m v 左右) 。其中，直流分量是由手指上的皮肤、肌肉、骨 骼等含氧量较少的非血液组织引起的，此部分的信号强度与红光、红外光发射 管的发光强度成正比。交流分量是由于动脉血的充盈导致透过手指的光强度发 生变化而产生的，这里面还包含有来自周围环境光的5 0 6 0 h z 的噪声干扰，交流 信号虽然较小，却正是需要我们提取并放大的有用部分。 对o a 0 输出的交流信号进行提取和放大的工作由第二级放大器o a l 完成。首 先通过直流跟踪滤波器将o a 0 输出信号中的直流部分提取出来，然后将其作为偏 移量送入o a l 的一个输入端，而o a l 的另一个输入端接o a 0 的输出信号( 即包含 交流和直流两个分量) ，由于o a l 只放大其两端输入信号之差，因此最终只有交 流分量被放大，直流分量被有效地滤除掉了。但是在此过程中交流分量中夹杂 的环境光噪声也被放大了，这需要在以后的电路中将其滤掉。整个过程中对o a 0 、 o a l 的设置以及反复的a d 、d a 转换和直流跟踪滤波器都需要对m c u 进行相应 的编程来实现。 另外，我们还可以根据o a 0 输出信号的大小来进行红光、红外光强度的调节， 使其始终保持在我们预设的范围内，这样既能将信号尽可能地放大以提高a d 的 分辨率，又能保证信号不会过大而使a d 饱和。 2 9 第三章体征参数检测系统硬件设计 殴a 。一 p n o 一 m j r 1 2 _ 1 1 蠢l 群 尹 卜 (卜秽 r 一7v l l 0 、_ 硐 羽调 llli 3 3 4 信号调整与计算电路 图3 8 放大信号时序图 o a l 的输出信号被m s p 4 3 0 f g 4 3 7 内置的a d c 模块以1 0 2 4 h z 的频率进行采 样，由于探头中是红光与红外光交替点亮，因此相当于以5 1 2 h z 的频率对两束光 源分别进行采样。采样前应先去除o a l 的输出信号中残留的直流成分，数字高通 滤波器是不切实际的，因为这里需要的截止频率很低。我们采用i i r 滤波器进行 直流跟踪，然后从o a l 的输出信号中减去提取出的直流分量，这样就得到了纯净 的交流数字信号。如图所示： 出t 增慧x 交藏努量变鼙分 图3 9 信号调理与计算电路示意图 采样信号需要进行数字滤波来去除环境光5 0 6 0 h z 的噪声干扰，这里我们使 用一个f i r 低通滤波器来实现此功能，其截止频率为6 h z ，5 0 h z 以上频率的衰减 系数为5 0 d b 。 3 0 第三章体征参数检测系统硬件设计 本部分电路在硬件上主要使用m s p 4 3 0 f g 4 3 7 内置的放大器o a l ，进行信号 调理时所使用的i i r 滤波器、f i r 低通滤波器以及对脉搏数和血氧饱和度的值的计 算都需要通过对m c u 进行编程来实现。 3 3 5 按键控制与电源电路 按键控制电路如图所示，其中p 1 1 、p 1 2 分别控制按键s 1 、s 2 。在本设计中， p 1 1 用来开启脉搏血氧饱和度检测模块，p 1 2 用来开启体温检测模块。 3 3 v 图3 1 0 按键控制电路 电源电路如图所示，可使用5 v 直流电源或电池供电。电源管理芯片使用台 湾h o l t e k 公司生产的h t 7 5 3 3 1 ，其采用c m o s i 艺，输出电流l o o m a ，最高可 将2 4 v 的输入电压转化为3 3 v ，而m s p 4 3 0 f g 4 3 7 i 作电压的典型值即为3 3 v 。 图3 1 1 电源电路 3 1 第三章体征参数检测系统硬件设计 第四节体温检测模块硬件设计 体温检测模块的硬件电路如图3 1 0 所示。其中，核心器件d s l 8 8 2 0 只有三个 管脚，管脚1 为接地管脚；管脚2 为数字信号输入输出管脚d q ，用于与单片机相 连实现数据的传输：管脚3 为外部供电时的电源管脚，在本设计中我们使用外部 供电，故此管脚接3 3 v 。 由于d s l 8 8 2 0 芯片采用单总线协议，即只需要一根线与m s p 4 3 0 单片机相连， 通过单片机的端口方向寄存器来设置输入输出方向即可很好地实现单总线数据 的读写功能，这里我们使用单片机一般的i o h p l 7 与d s l 8 8 2 0 芯片进行连接【2 引。 d s l 8 8 2 03 3 v j 图3 1 2 体温检测电路 在上面的电路设计中，d q 线通过5 1 k q 的电阻拉高，以保证总线在没有数 据传输时始终保持高电平。为了减小干扰，在电源管脚v c c 处增加一个0 1 心的 电容来进行滤波处理。 3 2 第三章体征参数榆测系统硬件设 第四章体征参数_ 【盘测系统软件设计 第四章体征参数检测系统软件设计 第一节总体设计 本部分软件设训包括系统控制和信号处理两部分。系统控制包括寄存器设 置、系统时序控制和各功能模块控制：信号处理包括在单片机巾对光电信号进 行预处理和提取脉搏波特征点并汁算血氧饱和度参数值。 c 语言既能直接访问硬件物理地址又便于模块化设计，而且具有高度的可移 植性，因此在单片机开发中应用广泛，本设计也将采用c 语言进行开发，开发平 台选择i a r 公司开发的e m b e d d e dw o r k b e n c h ，支持多操作系统如：w i n d o w s 9 8 n t 4 2 0 0 0 x p ，在该平台上可进行工程文件的建立、文件编辑、编译、汇编、链 接和建立生成甘标文件以及对目标文件进行调试并提供有关目标建立、文件 组成或一些文件级的可选项配置。该平台内嵌的软件工具有：代码产生工具( 包括 c c + + 编译器、汇编器和连接器) 、软件模拟器( s i m u l a t o r ) 和调试器( c s p y ) 。其 巾调试器( c s p y ) 的工作方式有多种，既可以工作在模拟方式下( s i m u l a t i o n ) ，也 可以经过j t a g 口与目标硬件系统连接起来工作在仿真方式下( e m u l a t i o n ) 。本课 题是在硬件设计完成后采取后利- 方式进行程序调试的。在仿真方式下，整个 调试过程是在硬件系统的运行r 进行的，不仅可以验证设计思想和软件也可 以实际判断目标板的硬件设计，调试完成后，产生的程序代码可以直接运用到 最终目标系统上口“。 图4 】w o r k b e n c h 环境r 程序仿真界面 第四章体征参数检测系统软件设计 第二节脉搏血氧饱和度模块软件设计 脉搏血氧饱和度模块的软件设计流程如图所示： 调 节 两 束 光 的 发 光 强 度 图4 2 程序流程图 整个模块的软件设计在功能上可分为光源驱动、前端信号预处理、信号调 理与计算、按键控制等部分，在结构上主要包括初始化设置、中断服务程序、 3 5 第四章体征参数检测系统软件设计 主处理程序和数字滤波等子程序。我们将按照上面所给出的程序流程图对各部 分的软件设计进行介绍。 4 2 1 初始化设置 在该部分我们需要对m s p 4 3 0 中各功能模块进行初始化设置，主要包括： 1 时钟设置： 系统的主时钟m c l k 我们选择来自片内数字振荡器产生的d c o c l k ，系统 子时钟s m c l k 默认等于m c l k ，辅助时钟a c l k 我们使用外部3 2 7 6 8 h z 无源晶振 产生的低频时钟以降低系统能耗。 对系统时钟控制寄存器s c f q c t l 、系统频率积分寄存器s c f l 0 和f l l + 控制 寄存器f l l - c t l 0 进行相应的设置： s c f q c t l = 9 1 ： s c f l 0 | _ f n _ 4 ； f l l - c t l 0 = d c o p l u s + x c a p 14 p f ； d c o c l k 倍数 设置d c o c l k 频率可调范围 d c o + = i ， f d c o c l k = d x ( n + 1 ) x f a c l k 由此我们可以得到：m c l k = s m c l k = 2 ( 9 1 + 1 ) x3 2 7 6 8 = 6 0 3m h z 。 2 内置放大器o a x 设置： 第一级放大器： p 6 s e li - ( b i t oib i t lib i t 2 ) ；臌择o a 0 o a o c t l o = o a n _ 0io a p jio a p m _ _ 3io a a d c1 ；- v e = o a 0 1 0 ， | | 趣e = o a o i 、 o a o c t l l = 0 x 0 0 ；选择o a 0 为一般放大器 第二级放大器： p 6 s e li - ( b i t 3b i t 4 ) ； 选择o a l o a l c t l 0 = o a n 一0o a p 一3lo a p m _ 3io a a d c l ；一v e = o a l l 0 ， | 如e = d a c 、 o a l c t l l = o a f b r7o a f c6 ； 选择o a l 为反相放大器 3 d a 转换模块设置： f g 4 3 7 内部有2 个1 2 位的d a 转换模块，d a c 0 负责调节通过两路发光管的电 流大小，即控制红光和红外光的发光强度，d a c l 负责为放大器o a l 提供偏移量， 3 6 第四章体征参数检测系统软件设计 下面是初始化语句： d a c l 2 0 c t l = d a c l 2 c a l o nd a c l 2 i rd a c l 2 a m p 一7d a c l 2 e n c ； d a c l 2 1 c t l = d a c l 2 c a l o njd a c l 2 i rd a c l 2 a m p 一7id a c l 2 e n c ； 可以看出，我们对d a c 0 和d a c l 进行了相同的初始化设置，使其满量程输 出等于参考电压，输入输出缓冲器采用高速度电流并开启程序初始化校验操作。 4 1 6 位定时器设置： t a c t l = t a s s e l 0 im c1t a c l r ；选择a c l k 作为时钟源，增计数模式 c c t l l = o u t m o d2 ；输出模式为p w m 置位复位 p w m 置位复位模式是指当t a r 的值等于c c r l 时置位，当t a r 的值等于 c c i 如时复位，如图所示： 0 f f f h 蝴0 淞1 o 输泓绥t 3 ：f b n m 箨织，耋乏溉 图4 3 定时器输出模式 由此可见，输出脉冲的周期由c c r 0 确定，而c c r l 确定的是输出脉冲反转 的时间，或称为相位，与周期无关。由于只需要输出一个确定周期的时序脉冲， 故理论上c c r l 寄存器的值可以任意设定，这里我们令c c r l = 2 0 ，为的是使光 信号的强度保持稳定。系统中红光与红外光分别以5 1 2 h z 的频率交替点亮，故输 出脉冲波的频率为1 0 2 4 h z ，令c c r 0 = 3 1 即可。 5 d 转换模块设置： 由定时器t i m e ra 产生的周期脉冲作为a d 转换的触发脉冲，并用定时器中 断来启动a d 转换，选择序列通道单次转换模式，o a 0 0 和o a l 0 作为输入的两 个通道；选用单片机内部2 5 v 精密参考电压并允许中断。具体的设置如下： a d c l 2 c t l 0 = a d c l 2 0 nfm s cs h t 0 4lr e f o nr e f 2 5 v ； a d c l 2 c t l l = s h ps h s1c o n s e ql ； 序列通道单次转换模式 使用采样定时器，t a l 触发 3 7 第四章体征参数检测系统软件设计 a d c l 2 m c t l 0 = i n c h js r e f _ i ； 选择o a 0 0 为通道l a d c l 2 m c t l l = i n c h 一3s r e f je o s ；选择o a l 0 为通道2 a d c l 2 i e = b i t l ；使能中断a d c l 2 i f g l 4 2 2 光源驱动与信号采集 该部分程序的功能是使红光与红外光管分别按照5 1 2 h z 的频率交替点亮并 及时读取接收信号的a d 转换结果，其流程图如下所示。在定时器时间到后，根 据前一发光状态，依次对负责光源驱动的管脚p 2 2 、p 2 3 和d a c 0 _ 5 、d a c 0 1 0 进行设置，并读取前一发光状态时所采集到的信号，然后通过片内a d 转换为数 字量，并根据此结果对两束光的发光强度进行适当的调整。 图4 4 光源驱动程序流程图 4 2 3 数字信号处理 为了滤除经a d 转换后数字信号中的环境噪声及其他干扰，进一步提高检测 第四章体征参数检测系统软件设计 精度，还需对其进行数字滤波，在本设计中主要使用i i r 滤波器和f i r 低通滤波器。 1 有限冲击响应( f i r ) 滤波器 有限脉冲响应滤波器的输入x ( n ) 、输出y ( n ) 的关系可用下式表示口4 】： 一l 夕 ) = 办( 朋) 拿x ( n 一朋) m = 0 ( 4 1 ) 使用f i r 滤波器是用来去除数字信号中环境光5 0 6 0 h z 的噪声干扰，这里我 们设定其截止频率为6 i - i z ，5 0 h z 以上频率的衰减系数为5 0 d b ，其相应的滤波系 数为： s t a t i cc o n s ti n tc o e f f s 9 】= 1 6 0 8 ，1 6 1 4 ，2 2 8 2 ，3 0 0 0 ，3 7 1 8 ，4 3 8 4 ，4 9 4 4 ，5 3 4 6 ， 4 5 5 8 ； 2 无限冲击响应滤波器( i i r ) 滤波器 i i r 滤波器用来提取第一级放大后数字信号中的直流成分，为第二级放大提 供偏移量，并滤除第二级放大后残留的直流成分。 可以用滑动平均滤波来构造低通滤波器，其输入输出关系为口5 】： k - 1 嬲 l n o u t 4 2 4 计算结果 图4 5 i i r 滤波器结构示意图 o u t o u t 到此为止，我们已经提取出了反映动脉血氧含量的交流信号并滤除了来自 环境光的噪声干扰，根据第二章介绍的原理，我们计算出两束光信号各自的交 直流成份比值w ，通过三次曲线拟合得到血氧饱和度的计算公式： s a o2 = o 12 尺3 56 尺2 + 9536r + 43386 0( 4 2 ) 其中r = 三急1 0 0 ，则进一步可以计算出血氧饱和度的值。 在脉搏的检测上我们只对红外光信号进行采样处理即可，通过软件记录一 3 9 第四章体征参数检测系统软件设计 段时间内每一次采样的最大值和最小值，可以大致勾勒出脉搏波的基本形状， 我们统计脉搏每搏动3 下所经历的采样点数，便能得到脉搏数的计算公式： 脉搏数= ( 5 1 2 x 6 0 x 3 ) 采样点数 ( 4 3 ) 第三节体温检测模块的软件设计 本模块的软件设计主要实现对d s l 8 8 2 0 芯片进行温度读取的操作，由于该传 感器采用单总线协议，因此了解其工作时序和相应的操作显得尤为重要。 4 3 1 单总线协议 单总线协议能够实现数据的双向传输，包括数据的读操作和写操作，另外 该总线还必须具有复位功能，下面就对这三个方面进行简要的介绍。 总线复位主要是起初始化总线的作用，在进行数据读或者写的操作之前都 必须对总线进行复位。复位时由单片机向总线发送低电平脉冲，然后等待 d s l 8 8 2 0 的响应，d s l 8 8 2 0 在接收到总线复位信号后给出相应的电平，如下图所 示为总线复位的时序图【2 6 1 。 _ j 4 主1 1 0 辊 ： p 发i 复o 倥 9 辣6 0 冲j j + 1 4 1 1 0 订x 产功能：对d s l 8 8 2 0 进行读操作幸 u n s i g n e dc h a rr e a d _ l8 8 2 0 ( v o i d ) u n s i g n e dc h a ri ； u n s i g n e dc h a rt e m p ； f o r ( i = 0 ；i 1 ； p 1 0 u t & = - b i t 7 ； _ n o p ( ) ； p 1 0 u t i _ b i t 7 ； _ n o p ( ) ；o p ( ) ； _ n o p ( ) ；n o p ( ) ；n o p ( ) ； p 1 d i r & = - b i t 7 ； 4 3 h 娥5 u s d q = i d q = 0 移至下一位 延时5 0 u s 以上 逐位进行处理 移至下一位 | | 贼l u s | i 贼5 u s d q 口设为输入 第四章体征参数检测系统软件设计 i f ( ( p li n & b i t 7 ) 一0 )d q 是否等于0 t e m p = t e m p & 0 x 7 f ；读入d q 为0 e l s e t e m p = t e m p l o x 8 0 ； 读入d q 为l d e l a y n u s ( 12 ) ； 延时6 0 u s p 1 d i r | _ b i t 7 ；d qk i 设为输出 p 1 0 u t | = b i t 7 ； d q 输出1 ) r e t u r n t e m p ；返回一个数据 严功能：对d s l 8 8 2 0 进行总线复位操作 v o i di n i t ( v o i d ) p 1 0 u t & = 一b i t 7 ； d e l a y n u s ( 8 0 ) ； p 1 0 u ti = b i t 7 ； d e l a y n u s ( 1 4 ) ； p 1 d i r & = b i t 7 ； i f ( ( p11 n & b i t 7 ) 一- - - b i t 7 ) e r r o r = 1 ； p 1 d i r | _ b i t 7 ； e l s e e r r o r = 0 ； 4 4 延时5 0 0 us 延时6 0 u s 以上 设d q 为输入 d q 是否为1 若d q 为l ，则初始化失败 设d q 为输输出 初始化成功 第四章体征参数检测系统软件设计 p 1 d i r | _ b i t 7 ；n 设d q 为输输出 p 1 0 u tf - b i t 7 ； 4 5 第五章蓝牙传输系统设计 第五章蓝牙传输系统设计 第一节蓝牙通信技术概述 5 1 1 技术背景与技术特点 1 技术背景 1 9 9 4 年瑞典通信巨人爱立信推出了解决无线连线问题的技术开发计划。 1 9 9 7 年爱立信、i b m 、英特尔、诺基亚及东芝这5 个世界著名的无线设备及计算 机、半导体设备制造公司商议建立一种全球化的无线通信个人接入与无线连线 新手段，后定名为“蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 。1 9 9 8 年5 月正式发起成立t b s i g ( b l u e t e o o t h s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，蓝牙特别兴趣组织) ，简称蓝牙s i g 2 7 1 。1 9 9 9 年1 1 月美国4 家著名公司m o t o r o l a 、l u c e n t 、m i c r o s o f t 及3 c o m 力i ：l 盟b s i g ，b s i g 有了9 个成员， 成员们统一制定一套免权利金的标准以降低蓝牙技术成本并使之快速普及。目 前有2 0 0 0 多家公司签署了相关协议，共享这一先进技术，其中包括许多世界最 著名的电脑、通信以及消费电子产品领域的企业，甚至还有汽车与照相机的制 造商和生产厂家。一项公开的技术规范能够得到工业界如此广泛的关注和支持， 这说明基于蓝牙技术的产品将具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。蓝牙特 别兴趣小组现已改称蓝牙推广集团。 2 技术特点 运行频段：2 4 g h z 传输距离：正常有效工作范围为0 1 - - 1 0 m ，通过加大发射功率可达1 0 0 m 最大数据传输率：理论上每信道1 m b s ，实际使用时有效值为每信道 7 2 1 k b s ，可传输语音或数据。 发射功率：l m w ( 0 d b m ) 。 最大的语音通道：每个微微网3 个。 最大的数据通道：每个微微网8 个。 支持的设备数：每个微微网8 个。 最大的跳频速度：1 6 6 6 髟u s 。 功耗：睡 1 民3 0 1 t a ，保持6 0 衅，待机3 0 0 衅。 第五章蓝牙传输系统设计 5 1 2 蓝牙与几种主要短程无线传输技术的比较 1 与i e e e 8 0 2 1 l b 比较 i e e e 8 0 2 1 l b 提供最大为1 1 m b s 的数据传输速率，当射频情况变差时，数据 传输速率降低为5 5 m b s 、2 m b s 或1 m b s 。由于自身的一些突出特点成为了目前 无线局域网的主流技术。8 0 2 1 i b 与蓝牙既在很多领域存在竞争关系，也在一些 应用领域共存协作，以下对两种技术进行对比【2 8 l ： 1 ) 工作频段 都工作在2 4 g h z 频段。 2 ) 速度与传输距离 相较于蓝牙的1 m b s 的传输速率以及不到1 0 m 的传输距离，8 0 2 1 i b 无疑具有 很大优势。 3 ) 体积和功率 蓝牙功耗远低于8 0 2 11 b ，同时目前市场流通的蓝牙模块的体积小于8 0 2 1 l b 模块，这使蓝牙模块能更灵活地应用于便携设备中。 4 ) 组网 8 0 2 1 1 b 实现的是有形的、特定的网络，而由蓝牙形成的网络是无形的、看 不见的。8 0 2 1 1 b 支持更多设备同时入网，而蓝牙只能同时支持8 个处于激活状态 的设备入网。 5 ) 应用领域 8 0 2 1 l b 适合应用在多人高速上网的场合。而蓝牙技术面向的却是移动设备 间的小范围连接。 i e e e 8 0 2 1 5 2 标准致力于解决两种技术的干扰问题，美国m o b i l i a n 公司已经 推出了兼具无线局域网和蓝牙功能的芯片组，实现了两种规格数据通信的同时 进行，从长远看两种技术将有可能走向融合。 2 与红外技术( i r d a ) 比较 i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o e i a t i o n ，红外线数据协会) 是9 3 年由h p 、i b m 、s h a r p 、 s o n y 等5 0 家厂商在美国成立的组织，主要为整合周边红外线传输装置，建立红 外线无线传输的统一标准，并开发与之关联的新技术及新市场而成立。i r d a 以 低价位、点对点、近距离无线传输、半双工及串列红外线标准为发展方向。9 4 年6 月i r d a 发表红外线资料交换标准1 0 版，采用波长0 8 5 - 0 9 0 微米红外线为媒 4 7 第五章蓝牙传输系统设计 介，传输速率l1 5 2 k b p s ，有效距离在l 米以内，发射与接收角度为3 0 度。9 5 年l o 月i r d a 又针对高速资料传送应用，订定f i r ( f a s ti n f r a r e d ) 标准，进一步将速率提 升为4 m b s ( 1 1 版) 。9 5 年1 1 月，w i n d o w s 9 5 操作系统首度支持红外线传输，使得 i r d a 飞速发展。9 9 年1 月，i r d a 根据1 1 版的f i r ，提出v f i r ( v e r yf a s ti n f r a r e d ) ， 传输速率提高为1 6 m b s ，有效距离达8 米，发射角度也达至u 1 2 0