（生物医学工程专业论文）基于CDMA2000的无线医学视频传输系统的研制.pdf

基于 cdma2000 的无线医学视频传输系统的研制 ii abstract recent studies conclude that early and specialized prehospital patient management contributes to emergency case survival. ambulance personnel, who usually are the first to handle such emergency situations, do not have the required advanced theoretical knowledge and experience. ambulance personnel, however, can rely on the directions provided to them by experts, with the assumption that information concerning the clinical status, such as vital biosignals and a picture of the patient, can be available to the experts. wireless telemedicine is the best solution to solve above problems. the design of wireless medical video transmit system based on cdma2000 is discussed in the paper. a wireless telemedicine device was developed based on cdma2000 1x ev- do. it has peak transfer data rate up to 2.4mbps and supports wireless and high rate access internet. the project includes hardware system and software system. the core of hardware system is the omap5912 microprocessor with low- power and high performance. omap5912 have dual- core structure that is made up of arm926- core and dsp c55x- core. in the system, arm is used for controlling and managing system. dsp c55x is used for processing audio and video encoding and decoding. specific dividing the work enhances efficiency and reliability of system. hardware system of omap wireless telemedicine device is made of minimum embedded system based on omap5912, a module of processing audio and video, a cdma2000 module, a human- machine interface module and a module of power management. based on linux, the design of software system evolves mainly on the driver program of modules, including lcd driver module, keypad driver module and cdma2000 driver module. omap wireless telemedicine device is tested on the development platform of omap. experiment results show that, omap wireless telemedicine device achieves designs target. because of omap5912 supporting multiplicate operate systems, the solution not only applys to normal portable devices, but also applys to senior devices if spreading more application modules. keywords: wireless transmit;t;cdma2000 1x ev-do; ;omap5912; ;linux 中南民族大学中南民族大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果除了文中特别加以标注引用的内容外本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均 已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借 阅本人授权中南民族大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1保密在_年解密后适用本授权书 2不保密 请在以上相应方框内打 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 中南民族大学硕士学位论文 1 第一章 引 言 第一章 引 言 1.1 研制1.1 研制 cdma2000 1x 无线医学视频传输系统的意义 无线医学视频传输系统的意义 自古以来医生看病人病人看医生都是面对面的进行交流如果遇到疑 难病诊断不清 病人则需千里跋涉寻医 往往病情导致恶化 加重了患者的病痛 最近的研究表明 紧急危重病人的前期医疗处理对于挽救病人的生命是十分重要 的特别是对于那些脑溢血病人头部脊椎和内脏器官的严重外伤以及心脏疾 病患者早期的正确医疗处置与护理具有重要意义1,2 远程医疗系统的问世给全球由于医疗条件差而看病难的患者带来了福音 所谓远程医疗系统是指实时动态地获取与人的生命活动相关的各种信息并经 技术处理后经由计算机网络送入会诊中心的的便携式系统 它包括生命信息获取 设备无线网络通信装置交互式网络软件等它是传感技术电子技术计算 机网络数据处理技术远程测控技术等与生物医学相结合的具体产物依靠这 个系统可以随时随地将患者的各种生命信息传送到会诊中心使现场的医护人 员在救护过程中及时得到专家的正确指导 这对于医疗条件相对落后地区的患者 获得高水平的医疗服务及在紧急情况时的急救支援都具有重要意义 最初人们仅仅利用有线电话或者传真系统构建远程医疗系统 由于技术的落 后只能达到语音传输的目的 但仅仅通过患者的语音医生往往很难对病人进行确 诊医生对一位患者进行远程诊断不仅需要患者的语音信号更重要的是还需 要患者的重要生理信号病变医学视频放射图片等对近年来随着计算机技 术和医学技术的快速发展人们开发了基于pstn(public switched telephone network)和isdn(integrated service digital network)这两种有线互连方式的远程 医疗系统 它们的优点是网络带宽高 实时性好 适合医学视频在上面进行传输 缺点是移动性不强仅仅适用于定点通信而对于那些身处不同环境的移动 病人则无能为力3- 5 在实际情况中医疗系统本身也常常处于移动状态诸如医疗救护车之 内的流动急救小组他们是首先要对病人进行处理的工作人员通常不具备深厚 的专门理论知识和丰富的临床经验由于客观条件的限制也不可能在每个流动 医疗小组中配备经验丰富的专科医生如神经外科专家心内科专家矫形外科 专家等往往使患者得不到正确地处理而危及他们的生命 无线远程医疗系统是解决这个困难的最佳方案 无线远程医疗系统是利用移 动通信网络进行医学数字信号图像语音的综合传输并且实现了实时的语 音和高清晰图像的交流为现代医学的应用提供了十分广阔的发展空间5,6它 基于 cdma2000 的无线医学视频传输系统的研制 2 是一种灵活的医疗服务系统, 用户通过使用各种便携或手持无线通讯设备就可 以随时随地的将病人重要的生理信息通过无线通讯方式准确 快速的传送到远程 医疗会诊中心或家庭护理专家处, 并得到医生的专业指导, 从而实现远程急救 远程监护远程会诊远程心脏病学远程放射学等多种远程医疗应用4这种 无线远程医疗系统使用户获得前所未有的自由与便捷, 并能缩短病人就医的延 迟时间, 提高治疗效果, 降低病人的就诊负担 针对医学视频信号的容量大实时性强等特点通过移动通信网络传输时对 带宽提出了较高的要求7目前应用于无线远程医疗系统的无线通讯技术主要包 括蜂窝移动通讯网络卫星通讯技术及无线局域网其中无线局域网具有带宽大 的优点但同时具有覆盖面太小的缺点 正是这个缺点使基于无线局域网的远程系 统在实际应用中受限而卫星通讯系统可实现覆盖全球范围的通讯需要并能提 供不同传输速率, 从24kbps 至2 64kbps 甚至更高4, 但运行成本过高, 不适 用于一般用户, 更适用于军用或特殊需要, 如海事通讯等 基于蜂窝移动通讯网络的无线远程医疗系统是一个合理的选择 蜂窝移动通 讯网络包括第一代gsmcdma第二代gsmcdma和第三代gsmcdma 第一代第二代蜂窝移动通讯网络数据传输率较低而不能实时传输医学视频信 号第三代gsmcdma移动通信网络数据传输率比前两代有明显的提高为 无线远程医疗网络的建立打下了良好的基础 cdma2000 是被国际电信联盟认可的全球三大 3g 移动通信标准之一 也是 全球致力于移动通信研究的研究员的热门话题它以其频谱效率之高网络容量 之大数据传输速率之快平滑从 2g 到 3g 过渡等优点越来越多的应用于远 程医疗系统个人移动通信系统等领域8,9而 cdma2000 1x ev- do 标准是对 cdma2000 标准的继承和发展它具有更高的前向链路的数据传输率以及支持 无线高速数据业务等优点10- 13针对患者不仅需要实时与住院医生交流而且还有 无线接入 internet 进行相关信息的搜寻 故本系统选取 cdma2000 1x ev- do 无 线网络 基于上述背景本文提出了一种基于 cdma2000 1x ev- do 的无线视频传 输系统,应用于远程医疗系统 1.2 国内外发展研制状况 1.2 国内外发展研制状况 远程医疗系统从上世纪 70 年代初被提出的当时仅仅通过有线电话和传真 系统寻求远处专家的意见4,14随着计算机技术和通信技术的快速发展远程医 疗系统已经有了很大的改进无线远程医疗系统正在快速发展15,16下面就对国 内外无线远程医疗系统的研制状况作详述 一一 国外研究发展状况国外研究发展状况 中南民族大学硕士学位论文 3 远程医疗的发展水平是不平衡的美国和欧洲要领先其它国家很多他们起 步早国家投入大远程医疗的支撑技术成熟国外的发展状况总体上是比较先 进的主要应用是远程会诊和治疗其次是战时急救特别指出的是欧洲在远 程医疗方面做得比较理想成立了由欧盟组织资助的多个项目17从上世纪90 年代至今 欧盟推出了3个4年框架计划 第三个rtd remote telemedical design 框架计划(19901994), 第四个rtd框架计划(19941998) 第五个rtd框架计划 (19982002)欧盟的举措对于远程医疗的发展大有裨益例如欧盟资助的远程 急救项目ambulancehc1001和emergency112hc402718它们都是利用第二代 无线gsm网络的远程急救系统ambulance 项目开发了一种便携的远程急救系 统, 通过gsm网络实时传输病人关键的生理信号及静态图像 该系统包括两部分: ?移动单元, 放置于病人临近的急救车内; ?咨询单元, 放置于医院内由医疗专家 提供指导 实施急救的实习医师或非专业人员可使用这种设备以获得外科专家的 指导该系统可实现远程诊断和急救中心或专科医院专家的远程咨询 emergency112 系统是ambulance 系统的延伸, 目的在于开发一种集成化的便携 远程急救医疗系统它可从急救点向急救呼叫中心传输ecgbphrco2 及 温度等关键的生理参数和病人图像, 可使专家更有效的提供院前指导以提高病 人愈后质量和降低死亡率 该系统可通过多种通讯方式传输数据, 如gsm 卫星 pots 和isdn , 从而最大程度的扩大了其将来的应用潜力emergency2112 系 统也由两部分组成: 病人模块和医生模块病人模块位于临近病人的地方, 可自 动在多种通讯模式下运行, 并且有多种操作模式; 医生模块位于医疗专家附近 该系统可从不同地方, 如急救车, 偏远的医院或远距离的医疗中心, 航行的轮船 上通过多种通讯模式传输数据和图像, 也可用于病人的家庭监护从1998 年起 它已成功应用于希腊意大利和塞浦路斯等欧洲国家从上可以看出 ambulancehc1001和emergency112hc4027都只能支持静态图像传输这是由于 gsm的网络带宽窄的缘故 国外的无线远程医疗系统的无线网络一般包括gsmglobal system for mobile communicationsgprs(general packet radio service)umts(universal mobile telecommunications system)wlan(wireless local area network) satellite communication19- 21其中wlan的数据传输率高达20mbps,但是它所覆 盖的地域很小目标离接入点的距离大约100m左右这种近距离的无线医疗系 统在实际中的应用会很有限卫星通讯系统可实现覆盖全球范围的通讯需要, 并 能提供不同传输速率, 从214kbps 至2 64kbps 甚至更高但运行成本过高, 不 适用于一般用户, 更适用于军用或特殊需要, 如海事通讯等通用的移动通信网 gsm的数据传输率只有9.6kbps对于细节丰富的医学图像往往不实时传输 二二 国内研究发展状况国内研究发展状况 基于 cdma2000 的无线医学视频传输系统的研制 4 我国还处在社会主义初级阶段经济不发达医疗资源的分布极不平衡中 心城市和较发达地区的人口占20%供其利用的医疗资源达80%而广大农村和 经济落后地区的人口占80%供其利用的医疗资源仅为20%远程医疗会诊系统 开辟了广大农村和经济落后地区利用中心城市的医疗资源的信道 将有效地缓解 医疗资源的供求矛盾22近年来 我国研究者对无线远程医疗系统的开发也颇感 兴趣先后开发了基于wlan的无线医疗系统基于basnbody area sensor network的无线远程医疗系统14,22 前者由于覆盖的移动范围不大很难在实际 当中大量使用后者由于要专门的布一个特别的basn网络实际应用当中要花 费较大的成本而如果利用已有的移动通信网络将会大大减少开发成本现在 已有gsmcdma网络的数据传速率不高而医学图像的细节却又很丰富容 量大所以在现有的网络上传送医学图像往往会产生延迟这对正确诊断是相当 不利的cdma2000 1x ev- do的数据传速率高达2mbps还有它是现有移动 网络cdma的升级这对研制无线医学视频带来很大的好处不仅实时性好而且 也降低了开发系统的成本基于此本文提出了一种基于cdma2000 1x ev- do 的无线医学视频传输系统 1.3 本课题的主要工作和创新 1.3 本课题的主要工作和创新 1.3.1 本文的主要工作 1.3.1 本文的主要工作 一个基于 cdma2000 的无线视频传输系统主要由硬件系统和软件系统组 成硬件系统包括嵌入式最小系统视频采集子系统视频编码子系统视频解 码子系统以及 cdma2000 无线收发数据子系统软件系统主要由 linux 内核子 系统文件子系统各种模块的驱动程序设计等本文的主要工作是从硬件方面 对系统进行详细设计以及从软件方面主要是编写调试驱动模块包括 lcd 驱动设 计键盘驱动设计以及 cdma2000 模块驱动最后在 omap 平台上对设计进行 验证 1.3.2 本文的主要创新 1.3.2 本文的主要创新 本文的创新主要有如下几点 1将 cdma2000 1x ev- do 第三代移动通信技术应用于无线远程医疗系 统与 cdma2000 1x 相比cdma2000 1x ev- do 是 cdma2000 1x 的继承和 发展具有很高的前向链路数据传输率高达 2.4mbps,相当于 adsl 的数据传 输率了 正是由于此优点 cdma2000 1x ev- do 标准可以很好的支持高速无线 接入 internet这样就便于持有 cdma2000 1x ev- do 无线视频传输系统的 pda(portal device assistant)的患者利用 internet 搜索最近的医院和相关的医疗急 救知识 还可以把自己的受伤部分摄像并将图片发送到住院医生的相关救护设备 中南民族大学硕士学位论文 5 上使自己最快的得到医疗专家的救护达到使病情恶化程度降到最低的目的 2 选取 ti 的多媒体应用芯片 omap5912 作为系统的 cpu与一般的微处 理芯片不同omap5912 具有双核结构内嵌一个 arm926 和一个 dsp c55x, 其中 arm 核用于系统控制且支持包括 linux 在内的多种操作系统方便开 发应用程序而 dsp 核用于音视频的处理这样分工明确提高了芯片的可靠性 和效率而且 omap5912 还具有低功耗综合看来它在开发视频传输方面具有 独特的优势 基于 cdma2000 的无线医学视频传输系统的研制 6 第二章第二章 cdma2k 1x 无线医学视频传输系统的硬件 设计 无线医学视频传输系统的硬件 设计 2.1 系统总体方案设计 2.1 系统总体方案设计 系统硬件电路采用模块化设计根据功能的划分主要由系统控制管理模 块, 图像信号采集和转换模块,程序和数据存储模块,语音信号转换和编解码模块, 人机接口模块以及 cdma2000 无线数据传输模块等六部分组成另外还有 3.3v1.6v 电源电路32.768khz 时钟电路复位电路电源管理电路等 针对处理医学图像的运算量大的特点选用 omap5912 作为系统的 cpu omap5912 处理器由 ti 应用最为广泛的 tms320c55x dsp 内核与低功耗 增强 型 arm926ej- s 微处理器组成的双核处理器基于双核结构,omap5912 同其他 omap 处理器一样采用开放式易于开发的软件设施并且支持广泛的操作系 统包括 linuxwindowswincenucleuspalm osvxworksjava 等 优化其应用程序时可以通过 api 及用户熟悉且易于使用的工具而且以其高 性能实时处理能力及超低功耗性能等优点广泛地应用于 pdaweb 记事本 远程通信医疗器械等23 基于此选取 omap5912 芯片作为系统的核心设计一款性价比高的无线 视频传输终端设备用它内嵌的 tms320c55x dsp 处理音视频编解码用内嵌 的增强型 arm926 微处理器处理人机接口模块cdma2000 模块电源管理模 块以及对整个系统进行控制系统的框架图如图 2.1 所示 系统控制管理芯片 omap5912 dsp子系统 tms320c55x 语言编解码器芯片 tlv320aic23b 话筒扬声器 mcbsp1 摄像头ccd)camera i/f mcu子系统 arm926 mpuio lcd i/f 人机接口模块 6x5键盘 320 x240 lcd液晶显示器 uart cdma无线modem cdma2000 1xev-do 电源管理模块 一 片 i n t e l t e 2 8 f 1 2 8 p 3 0 t 8 5 f l a s h 芯 片 两 片 s a m s u n g k 4 s 6 4 1 6 3 2 h - u c ( l ) 6 0 s d r a m 芯 片 地址总线 控制总线 数据总线 地址总线 数据总线 控制总线 图 2.1 系统框架图 中南民族大学硕士学位论文 7 2.2 嵌入式最小系统设计 2.2 嵌入式最小系统设计 嵌入式小系统电路由 mcu 电路基于 flash 的指令及程序存储电路基 于 sdram 的数据存储电路 外部时钟源电路以及系统复位电路组成23- 25分别 叙述如下 2.2.1 指令以及程序存储电路 2.2.1 指令以及程序存储电路 文章采用 intel 公司的应用于嵌入式系统的 te28f128p30t85 flash 用 来作为指令与程序的存储空间它属于非易失设备在掉电的时候程序代码 不丢失这样可以大大降低功耗并保证数据存储的可靠性它的存储单元只 由一个晶体管构成困此具有很高的容量密度存取速度为 70ns写入次数最 小值为 100000 次te28f128p30t85 具有以下特点 具有 127 个 64kbyte 的可擦除模块 交叉兼容的命令集支持 intel基本命令集 bsc可扩充的命令集 sc 128 个写保护寄存器 1.65 - 2.5 v 和 2.7 - 3.6 v i/o 接口电压范围 48 管脚 tsop 封装形式 intel te28f128p30t85 芯片的控制信号线直接和 omap5912 的 flash emifs接 口 的 控 制 信 号 线 相 连地 址 线 与omap5912的 flash.a1- flash.a24相连2616 位数据总线dq15dq0与 omap5912 的 16 位数据总线 flash.d15:0相连还有复位信号读写使能信号片选信 号以及写保护信号分别对应相连如图 2.2 所示 图 2.2 flash 接口电路 2.2.2 数据存储模块电路 2.2.2 数据存储模块电路 选取 sdram k4s561632a 作为系统程序运行和数据缓存的空间数据存 储电路即 sdram 电路由一片 samsung 公司的 k4s561632a- tc(l)75 组成 k4s561632a- tc(l)75 最基本的存储单元是一个 cmos 晶体管由一个电容驱 基于 cdma2000 的无线医学视频传输系统的研制 8 动通过充放电来存储数据它可以自动刷新它的容量是 16m x 16bit时 钟频率可达 133mhz还具有以下特点 可编程的猝发长度和类型 可编程的列地址延迟时间2 个或 3 个时钟周期 54 管脚 tsop封装管脚间距 0.8mm sdram的 地 址 线a12a0与omap5912地 址 端 口 相 连 k4s561632a- tc(l)75 的数据总线与 omap5912 的数据总线直接相连23如图 2.3 所示 图 2.3 sdram 接口电路 2.2.3 系统复位电路 2.2.3 系统复位电路 系统复位电路实现上电复位 手动复位两个功能 复位过程完成 omap5912 内部的初始化和外围电路的初始化工作为了使系统正确地被运行在加电后 系统的震荡器达到稳定的工作状态需要 800ms 或更长时问因此加电复位电路 在复位线上应产生 800ms 或更长的一个低电平脉冲实现了足够的复位时间24 其电路结构如图 2.4 所示 c1 10uf/16v d1 in4148 r1 10k s1 sw- pb vdd 3.3v 12 u1aa 7404 12 u1aa 7404 reset 图 2.4 系统复位电路 2.2.4 外部时钟源电路 2.2.4 外部时钟源电路 系统需要外部提供的时钟频率为 32.768khz本文采取了如图 2.5 所示的外 中南民族大学硕士学位论文 9 部时钟源电路该电路兼容直插式以及贴片式这两种常见的晶振23,25 图 2.5 系统时钟电路 2.3 视频采集2.3 视频采集转换模块 转换模块 1数字摄像头 系统选用荷兰菲利浦公司生产的菲利浦 camera 高质量数字摄像头作为视频 采集设备该摄像头采用 14 英寸的 ccd 图像传感器最大像素可达 30 万 可以支持 8 种输出格式 cif sif ssif qcif qqcif qsif sqcif sqsif 采用前三种格式每秒可采集 30 帧图像采用后五种格式每秒可采集达 30 帧 的图像大于人眼对动画图像每秒 25 帧的要求因此能够完全满足所有视频信 号应用的场合而且支持 usbuniversal serial bus通用串行总线由于菲 力浦摄像头具有高品质多用途简单小巧美观实惠等优点所以本终端选 用它作为视频采集的硬件设备 ccd 图像传感器是摄像头的核心也是价格最昂贵的部分ccd 即电荷耦 合器件chargled coupled device是由众多的排列有序最多可达百万个 的微小光电二极管及译码寻址电路组成的固态电于感光成像部件 其作用是将接 收到的光图像信号转变成模拟电信号当光线经镜头汇聚成像在 ccd 上时 每个光电二极管会因感受到的光强不同而耦合出不同数量的电荷 通过译码电路 可取到每一个光电二极管上耦合出的电荷而形成电流 电流经 ad 变换后形成 一个 h 进制数字量该数字量即对应一个像素点上百万像点数字量的集合 即形成数字相片使用 ccd 有两个基本原因首先是其线性特性就是说 ccd 器件的输出电压与光强直接成比例其次ccd 器件对光强的微小变化很敏感 这导致了对数字化到 16 位的像素值的精确测量 使用 ccd 的另一个重要因素是 它的信噪比极好即产生的电压很纯真没有任何的噪声频率即使图像不太清 楚时ccd 也能给出较好的效果 2视频图像信号采集转换电路 基于 cdma2000 的无线医学视频传输系统的研制 10 如图 2.6 所示摄像机接口camera i/f接收来自 ccd 数字摄像机采集 到的四组宽度为 8bit 并具有垂直和水平同步信号的并行视频数据并通过摄像 机接口模块中的 fifo 把四组宽度为 8bit 的并行视频数据组合并转换成一个宽 度为 32bit 的视频数据组26,27 由图 2.6 可知 ccd 摄像机与 omap5912 芯片的 i2c 接口总线相连 主要 由 omap5912 发出控制信号来控制 ccd 摄像机的取像参数 如输出格式 分 辨率聚焦等28 图 2.6 摄像机接口电路 2.4 音频信号采集2.4 音频信号采集解压缩模块 解压缩模块 该模块完成音频信号的采集播放功能它主要由 ti 生产的- 型单片音 频接口芯片- tlv320aic23b 组成 使用片内 fir 时 采样频率最高可达 96 khz 采样速率可通过 dsp 编程来设置在 tlv320aic23b 内部 dac 之前有插值滤 波器而在 adc 之后有抽样滤波器接收和发送可以同时进行 dsp 子系统通过 mcbsp1 接口和 i2c 接口控制 tlv320aic23b29 tlv320aic23 与 dsp 子系统之间的数据传送采用两种串行传输模式 16 位传输 模式和 151 位传输模式tlv320aic10b 提供发送接收时钟一旦完成采样 保持与转换即给 mcbsp1 的帧同步信号引脚 fsr 发出有效信号mcbsp1 根 据帧信号指示开始采集 tlv320aic23b 输出的数据也可以利用 omap5912 dsp 的 dma 控制器操作 mcbsp1 的数据的发送和接收使得对 dsp 的运算资源 占用率降到最低 tlv320aic23b 有许多可编程特征 它的控制接口可以对其本 中南民族大学硕士学位论文 11 身的寄存器进行编程控制接口可以通过对 mode 信号引脚进行编程可以工 作在 spithree- wire operation或 two- wire operation 两种模式在本终端中把 mode 信号引脚通过 10k 电阻接地 使 tlv320aic23b 工作在 two- wire 运行模 式此时数据的传输分别通过 sdin 和 sclk 两个信号引脚来传输串行数据和 串行时钟 数据开始传输的条件是sdin处于脉冲的下降沿和sclk处于高电平 紧跟开始条件的 7 个比特位决定 two- wire 总线哪一设备接收数据r/w 位决定 数据传输的方向 若 r/w0 时 tlv320aic23b 执行只读操作 tlv320aic23b 只运行在从模式时其从模式地址是通过设置cs信号引脚来决定的如下表 2.1 表 2.1 模式地址设置表 cs状态(default=0) 地 址 0 0011010 1 0011011 tlv320aic23b 识别到模式地址时在第九个时钟周期把 sdin 置于低电 平以识别数据传输 数据传输结束条件是sdin处于上升沿和sclk处于高电平 其传输时序图如图 2.7 所示通常把 16bit 控制字被分为两个部分地址控制块 b159和数据控制块8:0 图 2.7 传输时序图 语音信号的采集和解压缩电路实现如图 2.8 所示 基于 cdma2000 的无线医学视频传输系统的研制 12 图 2.8 音频采集与解压缩电路 2.5 人机接口模块 2.5 人机接口模块 人机接口模块主要有显示模块和键盘两部分构成本终端采用 nec 240 x320 qvga 显示器包括 nec nl2432dr22- 11b lcd 显示器和 nec s1l50282f23k 时间控制器(timing controller)两部分nec nl2432dr22- 11b lcd 显示器主要特征如下 屏幕对角线screen diagonal3.52,(8.9cm) 显示区域2.11(53.64)h2.82(71.53)v 分辨率240320 色彩数262144 像素模式rgb 垂直条纹 总体尺寸2.56(65)w3.3585h18(4.5)d 本系统中omap5912 lcd 控制器支持 tft 显示模式要显示的数据通过 dma 控制器从内部帧缓冲器存储器直接送给 lcd 显示屏 omap5912与nec s1l50282f23k定时控制器(timing controller)相连接27 此时 nec s1l50282f23k 的主要作用时把 16bitlcd 数据转换成水平与垂直扫描 数据用来驱动 lcd 显示屏在有些情况下时间控制器与 lcd 显示屏是集成在 一块的这特别适用于大屏幕的显示屏在本终端中采用的是定时控制器和 lcd 显示屏各自分立的形式表 2.2 详细说明了 nec s1l50282f23k 芯片控制 信号管脚的功能 中南民族大学硕士学位论文 13 表 2.2 lcd 定时控制器的信号管脚 引脚 名称 方 向 说明 引 脚 名称 方 向 说明 6,8,5- 2 ba10- 15 i 数据(蓝) 76 hdres 内部 pc 反向 15,13- 9 ga10- 15 i 数据(绿) 71 pci i 极性倒置 23,22,19- 16 ra10- 15 i 数据(红) 77 pcse i pc 转换 25 dck i 时钟 73 pans0 i 分辨率转换 27 de i 数据使能 72 pans1 i 分辨率转换 29 oen i 驱动使能 70 dse i 源驱动器转换 30 poc i 清除电源 79 cks i 时钟逆向 75 invse i 反 向 输 出 数据 69 hoepw i hoe 脉冲宽度 选择 78 tsten i 测试终端 根据器件手册所提供的数据30我们设计了 lcd 接口电路omap5912 连 接的控制信号管脚与 lcd 控制器的信号管脚连接电路如图 2.9 所示 图 2.9 lcd 接口电路 从图 2.9 中必须注意到ba10 和 ba15 是与 omap5912 芯片的同一信号 相连的 这主要是时间控制器只应用于 18bit 数据或者 r6:g6:b6,而 omap5912 支持的是 16bit 数据或者 r5:g6:b5因此要把这些两个信号脚连接在一块的 话ba10 这个最低有效位是用于红色和蓝色转换的最易的方式这样就把 r6:g6:b6 转换为适合 omap5912 的 r5:g6:b5 格式数据. omap5912 最多支持 88 的键盘阵列27根据应用程序的复杂程度采 用了 65 阵列式键盘 每个按键的功能可由用户随意定义功能 键盘扫描过程 就是让微处理器按照有规律的时间间隔查看健盘矩阵 以确定是否有键被按下 一旦处理器判定有一键被按下键盘扫描软件将过滤出回弹并且判定哪个键被 按下每个键被分配一个称为扫描码的唯一标识符应用程序利用该扫描码 根据按下的键来判断应该采取什么行动换句话说扫描码将告诉应用程序哪 个键被按下 基于 cdma2000 的无线医学视频传输系统的研制 14 2.6 电源管理电路设计 2.6 电源管理电路设计 2.6.1 系统电源电路 2.6.1 系统电源电路 系统的电源包括3.3v i/o电压,cpu核1.5v的电压以及flash的1.8v电压 分别采用 onsemi 的 ncp1550ti 的 tps76201torex 的 xc9216a18cmr 芯片来实现31 1产生 3.3v 的电路 ncp1550 是一个开关频率高达 600khz峰值输出电流达 2a 的高效降压开 关电源如图 2.10 所示它通过控制 p 沟通 mosfet xp152 的导通和截止来达 到目的当 xp152 导通时xp152 的内阻电感以及它的内阻负载电阻组成 一个回路当 xp152 截止时肖特基二极管以及她的内阻电感以及它的内阻 负载电阻又组成另一个回路 推导得出 voutvind,其中 d 为开关电源内部时 钟的占空比 图 2.10 3.3v 电路 21.8v 电源电路 xc9216a18cmr 为一个内置 mosfet 的 buck降压开关电源如图 2.11 所示原理与 ncp1550 相同这里就不详述了 图 2.11 1.8v 电源电路 3. 1.5v 电源电路 与上面两种电源相比tps76201 是另一种类型的电源是输出电压可调的 线性电压调节器与上面所讲的开关电源 dc- dc 相比ldo 电源具有电路结构 简单低噪声低压降等特点出于成本与体积的考虑本文选择 1.5v 的 ldo 中南民族大学硕士学位论文 15 电源作为 omap5912 的核电压电路结构如图 2.12 所示 图 2.12 1.5v 电源电路 2.6.2 锂电池充电电路 2.6.2 锂电池充电电路 1li 电池充电电路 充电 ic 选取 linear tech 公司的 ltc4054 芯片以其充电电流可调性峰 值充电电流达 800ma,可靠性强性能稳定小封装等优点广泛应用手持设备 中采用即插即充的方法对 li 电池进行充电系统设备通过 usb 接口与 pc 相连后 马上就对 li 电池进行充电 通过 a/d 采样对 li 电池电量进行监测 系统通过 gpio 口 chrg_status_ctrl 对 li 电池是否充满进行监测如 chrg_status_ctrl=1 高电平表示已充满 若 chrg_status_ctrl=0 低电平表示未充满如图 2.13 所示 图 2.13 li 电池充电电路 2li 电池充电管理电路 系统的电源要么来自 li 电池要么来自 pc usb +5v 电源这就意味着当 li 电池供电时pc 不能给系统供电反之当 pc 给系统供电时就需要关闭 li 电池 图 2.14 所示的电路实现了这一功能 当 li 电池供电时 先常按 power 基于 cdma2000 的无线医学视频传输系统的研制 16 键 sw2此时 gpio 口 sys_pwr_detect=1,三极管 q7 导通由于 q6 默认 导通 故 p- mosfet q5 导通 那么 li 电池就可以给系统供电了 当 pc 供电时 vbus1=5v 使 q6 截止那么此时 li 电池通往系统的通路被切断了 图 2.14 li 电池控制电路 2.7 2.7 cdma2000 1x ev-do 模块电路设计 模块电路设计 cdma2000 模块电路主要由基于高通 qualcomm 公司 msm6500 的基带电 路基于 rft6150 芯片的无线信号发送电路基于 rfr6500 芯片的无线信号接 收电路基于 pm6650 芯片的电源管理电路组成35 msm6500 是高通公司最新推出的基带控制芯片 它支持多种移动通信制式 包括 gsmgprscdma2000 1xcdma2000 1x ev- do采用双核架构 内嵌一个高性能的 arm926ej- s 和两个高性能的数字信号处理器 qdsp4000 进 一步提高它的性能35 高通公司的 pm6650终端是 qct 高级电源管理芯片中新 powerone系列 的第一款产品它将所有电源管理通用内务处理和支持手机用户界面的功能集 成在一个单一的混合信号集成电路中 pm6650 设备支持包括 wcdma umts 在内的 3g cdma 系统大大缩减了终端体积和材料成本bom并且为功 能丰富的无线终端增加了电源的使用寿命35 pm6650 设备采用高效的降压开关型电源smpss大大地增加了电源的 使用寿命还提供充电功能包括一个 usb 充电选择功能并为多种移动终 端调制解调器msm产品radioone射频rf芯片以及所有其它 msm 支持的针对高端高速 3g 无线终端的外设提供稳压电源pm6650 的主要优势 和主要功能如下所述 优势: 1. 提供完备的电池管理电压调节通用内务处理和用户界面功能 中南民族大学硕士学位论文 17 2. 缩小终端的体积降低材料成本bom 3. 为功能丰富的无线设备增加了电池的使用寿命 主要功能: 1. 与 radioone 芯片组和所有支持 msm 的外围设备兼容 2. usb- otg 收发器具有托管能力和集成的 usb 充电功能 3. 带有自动充电电源选择的 usb 充电选项功能 4. msm 电源启动先后顺序和控制 具有最大限度节省电能的动态电压测定功能 5. 针对一些外设功能如 r- uimusbwlan, sd 存储卡和数码相机等进行 的线性电压调节 6. 为过热保护提供芯片内置的智能温度控制系统 7. 拥有可编程的音量控制定时开机和静音功能的扩音器驱动程序用于驱动 一个外置的 8- ohm 扩音器 2.7.1 2.7.1 rf 电路设计 电路设计 典型的 rf 电路主要包括四个功能模块前端发射机频率合成器接收 机前端通常包括天线和双工器或天线开关其中共用的天线服务于射频段的发 射和接收双工器或天线开关则用于分离各自频段中发射和接收cdma 发射 部分目前主要选用的是超外差上变频方案 频率合成的方式一般有直接合成和间 接合成这两种间接合成包括混频合成和 pll 合成等一般而言接收机有两 种结构超外差式结构和直接转换结构超外差式结构具有优良的动态范围和选 择性这给开发者很大的便利而直接转换结构是零中频接收直接将接收信号 变频到基带信号省略了中间的 if 级它的优势在于降低成本pcb 面积和功 耗 本文讨论的 rf 模块是基于 cdma2000 1x ev- do 系统工作频率为 1865mhz1960mhz,其中上行频率范围为 1865mhz1880mhz下行频率范 围为 1945mhz1960mhz接收机采取直接转换结构主要由 rfr6500 芯片组 成而发射机选用超外差上变频结构主要由 rft6150 芯片组成 一一 发射机电路设计发射机电路设计 发射电路的原理基带处理过的数字信号由 d/a 转换为模拟信号经过 rft6150 的调制自动增益控制滤波功率放大后由天线向天空发送电磁波 如图 2.15 所示 基于 cdma2000 的无线医学视频传输系统的研制 18 图 2.15 发射电路 二二 接收机电路设计接收机电路设计 天线接收到信号后 先经过 lna low noise amplify 放大 再用 bpf band pass filter 进行滤波 把有用的 1865mhz1960 mhz 信号保留 将 1865mhz 1960 mhz 之外的干扰滤掉最后变频变换以及串并变换得到 i 和 q 差分信 号经 msm6500 的 a/d 转换后由基带处理器 msm6500 进行处理其电路结构 如图 2.16 所示 图 2.16 接收电路 2.7.2 2.7.2 cdma2000 模块与模块与 omap5912 的接口电路 的接口电路 cdma2000 模块是通过串行通信接口与 omap5912 相连根据器件手册我 们设计了如图 2.17 所示的接口电路 图 2.17 cdma2000 模块接口电路 中南民族大学硕士学位论文 19 第三章 第三章 cdma2k 1x 无线医学视频传输系统的软件 设计 无线医学视频传输系统的软件 设计 3.1 omap