（检测技术与自动化装置专业论文）基于IEEE14514和XML的网络化测量系统及其应用.pdf

摘要 目前，传感器的智能化和网络化是传感器技术发展的必然趋势。由i e e e 组 织平d n i s t 组织制定的网络化传感器i e e e l 4 5 1 系列协议，是目前传感器网络化标 准中的讨论和研究热点。该系列协议中的i e e e1 4 5 1 4 标准是一种为传统模拟模 式的传感器和传动器增加自我识别技术的机制，i e e e1 4 5 1 4 简单易用，可以轻 而易举地将传统传感器升级为具有自识别和网络功能的智能传感器，因而具有显 著而实际优势和应用价值。 本文依据i e e e l 4 5 14 协议，就如何通过w 7 8 e 5 1 6 嵌入式系统技术，以太 网技术、x m l 文档解析技术，1 w i r e 总线技术实现对i e e e l 4 5 1 4 传感器的自识 别和配置，提出了一套具体解决方案，并将该系统应用到人体脉搏信号的测量与 分析中，取得了初步的实验结果。 本文的工作主要体现在下面几个方面： 1 、 对i e e e l 4 5 1 4 网络化传感器协议进行了分析和灵活运用，给出了具 体的实现方案。 2 、 结合i e e e l 4 5 1 4 的硬件接口标准，建立了支持i e e e l 4 5 1 4 网络化传 感器的嵌入式实验平台。采用双w 7 8 e 5 1 6 单片机架构实现了对4 路 i e e e l 4 5 1 4 传感器混合模式通道的支持和传感器信息的t c p i p 远程 传输。 3 、结合x m l ( 可扩展标记语言) 标准，实现了x m l 语言解析器在嵌 入式平台上的移植，并通过该解析器解读传感器的t e d s 文档，对传 感器进行自识别和自配置。 4 、 设计符合i e e e l 4 5 1 4 标准的p v d f 压电薄膜传感器，并应用于脉搏 信号的采集。 5 、采用l a b w i n d o w s c v i 和m a l a b 混合编程技术和神经网络技 术，在p c 机上实现对脉搏信号的远程采集和分析。 关键词：i e e e l 4 5 1 4 协议x m l嵌入式t c p i p 协议智能化传感器 网络化测量脉搏测量远程诊断 a b s t r a c t n o w ，s m a r ta n dn e t w o r k i n gu a n s d u c e r sh a v eb e c o m et h ei n e v i t a b l et r e n di n d e v e l o p i n gs e n s o r s t h ei e e e1 4 51s m a r tt r a n s d u c e rs t a n d a r dd r a f t e db yi e e ea n d n i s t i s t h e h o tp o t i n t h er e s e a r c ha r e a t h e i e e e l 4 5 1 4s t a n d a r d i sa k i n do f m e t h o d t oa d da u t o - r e c o g n i z e df u n c t i o ni n t ot h et r a d i t i o n a la n a l o g 仃a n s d u c e r s t h es t a n d a r d i sv e r y e a s ya n du s e f u l ，a n dc a nm a k et h et r a d i t i o n a lu a n s d u c e rs m a r t ，s oi th a s o b v i o u sa d v a n t a g e sa n d a p p l i c a t i o nv a l u e t h ep a p e rd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dan e t w o r k i n gm e a s u r e m e n ts y s t e mt h a tc a n a u t 6 m a t i c a l l yr e c o g n i z ea n dc o n f i g u r et h ei e e e l 4 5 1 4s e n s o r s ，b a s e do nt h e i e e e l 4 5 l 、4s m a r tt r a n s d u c e rs t a n d a r d ，w 7 8 e 5 1 6e m b e d d e ds y s t e m ，x m lp a r s i n g m e t h o da n d1 - w i r eb u sp r o t o c 0 1 t h em e a s u r e m e n ts y s t e mh a sb e e nu s e dt oh u m a n p u l s em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s s o m eb a s i ce x p e r i m e n tr e s u l th a sc o m eo u t t h e r e s e a r c hw o r ko f t h ep a p e rl i e si nt h ef o l l o w i n ga r e a s ： l a n a l y z et h ei e e e l 4 5 1 4s m a r tt r a n s d u c e rs t a n d a r da n dm a k eo u tas e t o fm e t h o dt or e a l i z et h es y s t e m 2 c o m b i n e dw i t hi e e e l 4 5 14h a r d w a r ei n t e r f a c ep r o t o c o l ，b u i l tu pa e m b e d d e dp i a t f o r mf u ri e e e l4 51 4n e t w o r k i n gs e n s o r s u s i n gd o u b l e w 7 8 e 51 6m c us t r u c t u r et os u p p o r t4m m i ( m i x e dm o d ei n t e r f a c e ) c h a n n e l s ，a n dt r a n s m i ts e n s o rd a t ab a s e do nt c p i pp r o t o c o l 3 c o m b i n e dw i t hx m l ( e x t e n s i b l em a r kl a n g u a g e ) ，c o m p l e t eax m l p a r s e ri nt h ee m b e d d e dp l a t f o r m ，a n dt h r o u g hp a r s i n gt h et e d s d o c u m e n ti nt h ei e e e14 514s e n s o r st o r e c o g n i z ea n dc o n f i g u r e s e n s o r s 4 d e s i g n t h ep v d fp i e z o f i l ms e n s o rt oc o l l e c th u m a n p u l s es i g n a l 5 p r o g r a m s o f t w a r et or e m o t ec o l l e c ta n da n a l y z ep u l s es i g n a l si nt h ep c ， u s i n gm i x e d p r o g r a mm e t h o du n d e rt h el a b w i n d o w s c v ia n d m a t l a b e m b e d d e dd e v i c e k e y w o r d s ：i e e e l 4 5 1 4s t a n d a r d s m a r ts e n s o r r e m o t ed i a g n o s i s x m le m b e d d e dt c p i pp r o t o c o l n e t w o r k i n gs e n s o rp u l s em e a s u r e m e n t 中国科学技术大学硕士论文 第一章i e e e l 4 5 14 的基本内容及方案设计 第一章i e e e l 4 5 1 4 协议的基本内容以及 系统总体方案设计 1 1i e e e l4 5 1 协议产生背景和现实意义 ( 1 ) i e e e l 4 5 1 协议产生的背景 智能传感器是能够完成信号探测、运算处理、数据通讯的部件，可实现自检、 自校、自补偿、自诊断等功能，具有传统传感器所不具有的优势。但是，由于各 个厂家从各自的技术和市场角度出发，推出的智能传感器产品互不兼容，影响了 智能传感器的发展和应用。在配有大量传感器的网络系统中，人们不仅要解决现 场总线标准之间互不兼容的问题，还要考虑随着现场环境的变化如何对传感器进 行再次校准的问题。 i e e e l 4 5 1 标准的出现为解决通用智能传感器的设计开发问题，提供了一个可 以遵循的基础，使得构造通用智能传感器的设计开发平台有了可能。这些标准是： i e e e l 4 5 1 1 ，i e e e l 4 5 1 2 ，i e e e l 4 5 1 3 ，i e e e l 4 5 1 4 。 i e e e l 4 5 1 1 i l j 主要负责对智能变送器的公共目标模型进行定义和对应的接 口进行定义；i e e e l 4 5 1 2 1 2 1 主要定义t e d s ；f f l 数字接口标淮，包括s t i m 和n a c p 之间的通讯接1 5 协议和管脚定义分配。i e e e1 4 5 1 3 1 3 1 定义标准的物理接口指标， 为以多点设置的方式连接多个物理上分散的传感器。i e e e1 4 5 1 4 4 】标准主要致 力针对己存在的模拟量变送器提出一个混合模式智能变送器通信协议，它同时也 为具有智能特点的模拟量变送器接口到合法的系统指定t t e d s 格式，和混合模 式接口。 ( 2 ) i e e e l 4 5 1 协议的现实意义 自i e e e 和n i s t 组织制定网络化智能传感器接口标准i e e e l 4 5 1 1 和 i e e e l 4 5 1 2 以来，美国一些大公司积极参与该标准的制定。例如：a n a l o g d e v i c e s 公司生产的芯片a d c u 8 1 2 就可用来执行i e e e l 4 5 1 2 的s t i m 端的工作。惠普公司 在2 0 0 0 年初曾推出了支持i e e e l 4 5 1 标准的b f o o t l l 5 0 1 、6 6 5 0 1 和6 6 5 0 2 系列 n c a p 芯片。 但是，目前的市场还没有完全接受并广泛使用这个新的网络化智能传感器标 准，也没有大公司宣布支持该标准。究其原因在于i e e e 自身的一些缺陷，另外 缺少现场总线厂商的支持，是其无法得到市场的承认和推广的重要因素。 但是i e e e l 4 5 1 2 提出的传感器“即插即用”概念，以及使该功能得以实现的 t e d s 却得到了传感器制造商的广泛的认同，国内和国外的一些传感器制造商和 中国科学技术大学硕士论文第一章i e e e l 4 5 14 的基本内容及方案设计 科研机构都纷纷地将t e d s ( 电子数据表单) 应用到各自的智能传感器产品中 5 】 6 7 8 9 】 1 i 1 0 1 2 】。具有代表性的是h o n e y w e l l 公推出的一系列基二j = i e e e l 4 5 1 标 准的智能传感器。国内比较成熟的产品有北京宇世通控制技术有限公司生产的数 字式智能压力变送器 12 。但总体来说，并没有形成大规模应用的景象。 i e e e 组织意识到自身的缺陷和不足，在听取各大传感器制造商的建议后 1 3 1 ，推出了i e e e l 4 5 1 3 和i e e e l 4 5 1 4 ，其中尤其是i e e e l 4 5 1 4 得到了制造商们 的广泛赞同和支持 1 6 1 。i e e e1 4 5 1 4 标准，定义了一种为传统模拟模式的传感器 和传动器增加自我识别技术的机制。它确定了混合模式传感器的概念，该传感器 既有模拟接口，也有数据接口；模拟电气接口将提供以传统方式反映物理现象( 比 如温度、压力、力) 的信号，物理接1 2 1 将传输内置的记忆装置输出的数字信号。 该记忆装置中含有对传感器进行识别和描述的二进制t e d s 信息。t e d s 包含的 信息包括：制造商、传感器型号、序列号、测量范围、灵敏度及校准信息。由于 i e e e 保留有传感器的模拟输出，故智r t s t e d s 传感器可以与包含传统模拟接口的 旧系统兼容。并且因为i e e e1 4 5 1 _ 4 防议简单易用，可以轻而易举地对旧式传感 器进行更新，具有显著而实际的优势和市场价值。 此外，国内相当多的工业系统中，仍然使用了大量的模拟传感器，因此依据 i e e e l 4 5 1 4 协议，将传统模拟传感器与现代数字网络技术相结合，为传统传感 器提供在线校准和即插即用的功能的研究将具有广泛的应用价值。目前，国内基 于1 e e e l 4 5 14 的开发和研究工作尚不多见，因此设计开发基于i e e e l 4 5 1 4 的传 感器将具有相当的现实意义。 1 2i e e e l 4 5 1 协议的内容 1 2 1i e e e l 4 5 1 协议的发展过程 1 9 9 3 年9 月，i e e e 第九届技术委员会决定制定一种智能传感器通讯接口标准。 1 9 9 4 年3 月，美国国家技术标准局n i s t 和i e e e 共同组织了若干次研讨会， 讨论i e e e l 4 5 l 传感器执行器智能变送器接口标准。 1 9 9 5 年4 月之后，i e e e 成立了专门的技术工作组：p 1 4 5 1 1 工作组和p 1 4 5 1 2 工作组。 i 9 9 7 - 2 0 0 4 年i e e e 发布了i e e e l 4 5 1 1 - 1 4 5 1 4 一系列标准。 2 0 0 5 目前i e e e l 4 5 1 5 和i e e e l 4 5 1 6 制定中。 中国科学技术大学硕士论文 第一章i e e e l 4 5 14 的基本内容及方案设计 1 2 2i e e e l 4 5 1 协议各组成部分的内容 12 2 1i e e e l 4 5 1 1 的内容 i e e e l 4 5 1 1 主要负责用面向对象的方法对智能变送器的公共模型和n c a p 模型进行定义。它的实现模型的结构图如图l 一1 所示。 图1 - 1i e e e l 4 5 1 1 实现模型 1 ，2 2 2i e e e l 4 5 1 2 的内容 e e e l 4 5 1 2 主要定义t e d s 和数字接口标准，包括s t i m 和n a c p 之间的 通讯接口协议和管脚定义的分配。它的实现模型的结构图如图l 一2 所示。 t i i l o 搀 1 = l 同培 匝三 一岖叵 网络适配嚣n a c p 匝三 至 圈 1 r 校 应 司 区 口 正 用 弓i 程 接 擎序口 l 据表格t 电e l d 敦s i 图i - 2i e e e l 4 5 l2 实现模型 中国科学技术大学硕士论文 第一章i e e e l 4 5 14 的基本内容及方案设计 i 2 2 3i e e e l 4 5 1 3 的内容 i e e e1 4 5 1 3 定义标准的物理接口指标，为以多点设置的方式连接多个物理上 分散的传感器，提供了参考模式。它的实现模型的结构图如图1 3 所示。 1 2 2 4i e e e l 4 5 1 4 的内容 图1 - 3i e e e l 4 5 1 3 实现模型 i e e e1 4 5 1 4 标准主要提出一个混合模式智能变送器通信协议，同时也指定 了t e d s 格式和混合模式接口，它适用于较小的空间范围。它的实现模型的结构 图如图1 4 所示。 i e e e l 4 5 1 4 混合模式接口( m m i ，网钒 l 一一 、j i 支持m m i 和 t ，b l o c k 的测 量系统 i e e e l 4 5 14 变送器( m m d x c r ) 篇缸 模拟变 送器 i1 壹- - 堡w 墨i r eli t e d s 图1 4i e e e l 4 5 1 4 实现模型 1 3i e e e l 4 5 1 4 的具体内容 i e e e l 4 5 1 4 是在i e e e l 4 5 1 1 和i e e e l 4 5 1 2 基础上提出来的一种小空间范国 内智能传感器之间互联的标准，该标准主要定义了i v i m x d c r ( m i x e d m o d e t r a n s d u c e r ) 混合模式变送器及其m m i ( m i x e d m o d et r a n s d u c e ri n t e r f a c e ) 接口以 及电子数据表单t e d s 的样式。 中国科学技术大学硕士论文第一章i e e e l 4 5 1 4 的基本内容及方案设计 ( 1 ) m m i 混合模式接口 m m x d c r 可以通过m m i 传送模拟信号和t e d s 数字信息。m v i i 接口分成两类， 一类是模拟信号和数字信号共用两根传输线，测量系统采用信号开关在两种信号 间切换；另一类是模拟信号和数字信号采用各自的传输线，可同时进行数字信号 和模拟信号的传输。每一个m m i 都可以挂接一个或多个m m x d c r 。图1 5 是这 两类m m i 的结构示意图。 、+ 电源线， 一 十电源 掺 卜日、 、 信号线 ， 。 模拟 因i 产 _ (7 返回线 、 7 信号 b 唧s 辞 飞 数字信号 二| 数g - o a n i ( a ) 第一类m m i 结构图 ( b ) 第二类m m i 结构图 图1 - 5 两类m m i 接v i 的结构图 上图中i e e e l 4 5 1 4 传感器的m m i 接口的模拟信号，同传统的模拟传感器的信号 兼容，为4 - 2 0 m a 或0 - + 5 v 的电压信号。数字信号为符合1 - w i r e 总线标准的数 字信号。 ( 2 ) 电子数据表单t e d s t e d s 【4 1 包含了传感器制造商、版本号、灵敏度、量程范围、温度系数、校 正参数等信息。t e d s 使得传感器的即插即用、自识别、自配置功能得以实现。 i e e e l 4 5 1 4 定义的t e d s 可以存贮于d a l l a s m a x i m 公司生产的1 - w i r e 存储器 d s 2 4 3 0 a 中。表1 - 1 所示是i e e e l 4 5 1 4 加速度计的t e d s 结构示意表。 n a m e a c c e l e r o m e t r m a n u f a c t u r e r i d4 3 中国科学技术大学硕士论文第一章i e e e l 4 5 14 的基本内容及方案设计 b a s i cm o d e i d 7 1 1 5 t e d sv e r s i o nb s e r i a l n o0 0 7 3 i f c a l d a t ej u l2 9 2 0 0 5 s e n s r e f 10 9 4 e + 0 3 m v 幢 s t a n d a r d r e f f r e q 1 0 0 0 h z r e l t e m p 2 3 e x t e n d e d m e a s u r e r a n g e一5 0 - - - + 5 0 9 t e d s e l e c o u t p u t 5 - + 5 v q u a l i t y f a a t o r 3 0 0 e - 3 t e m o c o e f - 04 8 ， d i r e c t i o n 表1 - 1i e e e l 4 5 1 4 加速度计的 r e d s 结构示意表 i e e e l 4 5 1 4 协议另一部分是t d l ( t e m p l a t e sd e s i g nl a n g u a g e ) 模板设计语言该 语言定义了套详细的语法，以便设计不同的传感器t e d s 模板。由于该t d l 语言的语法的配置过于繁杂，而且其编译器的配置和生成相当复杂，在嵌入式系 统中移植非常困难，因此在本设计中并未采用。本设计中的t e d s 设计语言采用 的是w 3 c p 2 j 组织发布的x m l ( 可扩展标记语言) ，x m l 的具体规范和用x m l 编写的t e d s 文档，以及其解析器的编写详见第三章的32 3 节的传感器信息解 析模块。 ( 3 ) i e e e l 4 5 1 4 协议与i e e e l 4 5 1 1 协议的关系 i e e e l 4 5 1 1 协议定义的是传感器与网络连接的软件接口，即定义了各种数 据结构和操作将i e e e 智能传感器网络化可视化。i e e e l 4 5 1 4 中的t r a n s d u c e r b l o c k a d a p t e 类和操作正是对i e e e l 4 5 1 1 中的类和操作的继承与扩展。t r a n s d u c e r b l o c ka d a p t 的物理实现可看作是拥有多个m m i 的测量系统。另外，i e e e l 4 5 1 4 对于传感器系统与网络的接口n c a p 遵循i e e e l 4 5 1 4 所采用的方法。 1 4 将i e e e l 4 5 1 4 传感器系统应用于脉搏诊断的意义 1 4 1 脉搏诊断的现状和问题 目前中医脉象临床实践中主要采用的仍旧是传统的人为的触压识别脉象信 号，依据医学典籍中描述的特征和临床经验对脉象进行判别，并将人为分析的结 果与生理病理因素结合起来，用于病患的诊断。这种诊断手段与西医的依据大量 医学仪器的分析诊断手段相比较为落后，而且不够准确，诊断结果很有可能受到 医生本人主观因素以及外界客观环境的影响，因此效果非常有限。 近二十年，国内对医学界脉搏信号分析有了较大的发展，发展出目前中医脉 中国科学技术大学硕士论文第一章i e e e l 4 5 14 的基本内容及方案设计 象应用中较为常见的“脉象图分析法”，这种方法实际上是将脉象信号时间波形 上的一些具有明确生理意义的“点参数”与主波，重波前波，降中峡的高度与宽 度等参数，通过测量仪器记录下来作为描述和表征人体脉象的特征，并将这些特 征与生理病理因素结合起来得到具有临床诊断价值的结果】。 这种“脉象图分析法”具有直观、临床医生容易接收的特点，但在实际应用 中仍然存在一些不足之处：r 1 ) 脉象信号的时域特征仍然要凭人为经验估计，受 认为因素影响很大。位) 脉图分析法不能将脉搏的信息尽可能多的利用上，因为 它是建立在仅仅一个周期曲线的少数几点上【4 “。 另外，一些大型的医学机构在现代信号处理方法的基础上开发了一些基于频 谱分析的脉象分析装置，但这些装置造价昂贵，而且分析方法较为抽象，不容易 被i 临床医生所接收，在推广上有一定的难度。 因此，研究开发一种价格低廉，而且使用方法简单，分析方法直观，容易接 受，具有较先进测量手段，且判断较为准确的脉搏测量判别仪器具有非常重要的 意义和市场前景。这种仪器可以在医生采用传统方法诊断病情的同时，对医生脉 诊的判断起到辅助和互相校准的作用。 此外，目前的脉搏测量和诊断装置，都是本地测量装置，也就是说病人必须 到医院找医生才能进行脉搏测量，这样不利于病人病况的监测和病况收集。目前， 以太网技术已经非常成熟，将以太网技术运用到脉搏测量上，实现远程测量，这 样病人即便在家中也可随时将脉搏信息反映给以太网远端的医院的上位机，这样 有利于医生及时监测病况，对于提高医疗和健康水平具有非常重要的意义。 1 4 1 将i e e e l 4 5 1 4 网络化传感器应用于脉搏测量的可行性和意义 首先，i e e e l 4 5 1 4 传感器是一种小空间传感器范围的传感器协议，对于脉 搏测量这样测量范围局限在人体空间内的测量系统非常适合。 其次，i e e e l 4 5 14 传感器协议是一种与传统传感器兼容的协议，因此将传 统传感器升级为具有混合通道的i e e e l 4 5 1 4 传感器非常方便，只需贴装上1 一w i r e 存储器件就可以实现。而且，支持i e e e l 4 5 1 4 协议的嵌入式测量装置也比较容 易实现，且体积较小、造价便宜，非常适合家庭和小型医疗机构使用。 另外，i e e e l 4 5 1 4 传感器支持传感器的即插即用，这极大的方便了测量仪 器的维护和更新。也就是说当和人体接触的脉搏测量的传感元件损坏时，只要将 原来的传感器从测量装置上取下，插接上新的传感器，就可以直接使用，测量装 置会自动对新的传感器进行识别，无需额外的配置。 再次，由于i e e e l 4 5 1 4 是一种支持网络化测量的传感器协议，因此可以将 非常成熟的以太网技术运用在脉搏测量系统中，实现脉搏信息的远程收集和诊 中国科学技术大学硕士论文第一章i e e e l 4 5 14 的基本内容及方案设计 断。总而言之，将i e e e l 4 5 1 4 网络化传感器技术应用于脉搏测量，将脉搏测量 仪器小型化，提高脉搏测量仪器的即插即用性，实现网络化的测量，具有非常好 的应用前景。 1 5 本文的主要工作内容及系统总体方案设计 1 5 1 本文的主要工作内容 由前面所述可知，本文主要是依据i e e e l 4 51 4 网络化传感器协议建立起 套可用于人体脉搏远程监测的测量系统。在网络传输方面，本文采用了非常成熟 的以太网技术，在嵌入式平台上通过构造t c p i p 协议栈，实现本地脉搏测量信 息向远程上位机的传输。由于嵌入式平台的资源有限，因此必须对运行在该平台 上的软件需要尽量的精简和压缩。此外，在嵌入式测量装置方面，结合i e e e l 4 5 1 4 的结构特点和硬件接口标准，本文设计和构造了基于双w 7 8 e 5 1 6 单片机的可对 i e e e l 4 5 1 4 传感器进行即插即用识别的硬件平台，并编写了相应的软件程序， 其中尤其重要的部分是如何识别新加入的传感器，以及如何对传感器1 - w i r e 存 储器内的t e d s 信息进行解读和分析。在脉搏测量传感器的选型方面，需要选择 体积小，灵敏度高，安装且携带方便的传感元件。经过比较后，选择了质量轻， 灵敏度高，可直接与人体接触的p v d f 聚偏氟乙烯压电薄膜传感器】，作为脉 搏测量的敏感元件。上位机方面，编写测量显示界面，t c p i p 通讯程序，以及 编写适当的算法对脉搏信号进行识别和分类。由于脉搏信号包含的信息量大，预 备知识复杂，分类规则不明等特点，故选用了神经网络算法来对脉搏信号的进行 识别。 由于本课题从硬件和软件上来说都比较庞大，而且实验条件的局限因此还遗 留一些问题没有完成，例如，神经网络训练算法的样本是由计算机仿真产生，未 能采用实际的人体脉搏信息，神经网络程序未能脱离m a t l a b 软件运行等，这 些问题有待后期工作予以解决。 1 5 2 方案设计 1 5 2 1 系统功能要求 脉搏测量系统是一种需要与人体直接进行接触的生理参数测量系统，因此必须满 足安全性，可靠性的要求。 f 1 ) 安全性 敏感元件与人体直接接触，设备必须同人体的绝缘，以及具有良好的接地，否则 将带来极大的安全隐患和甚至造成危险。在本设计中除了注重安全接地外，由于 中国科学技术大学硕士论文 第一章i e e e l 4 5 14 的基本内容及方案设计 p v d f 薄膜具有极高的介电常数，且本系统与人体接口的电子器件均处在弱电状 态下，电压很低，对人体是相当安全的，故安全性得以满足。 ( 2 1 可靠性 由于人体脉搏信号属于较微弱的信号为了保证脉搏测量数据的可靠性，测量系统 必须对工频噪声进行滤波，防止信号被噪声淹没。本文中采用的是软件滤波技术。 1 5 2 1 方案设计。 基于前面所述的功能和要求，本文设计了如图1 - 6 所示的系统结构。 上位机 以太网主控制器及以太同 键盘模块 网模块厂一 串口通讯 显示模块 从控制器罂、1 嵌入式测量装置i e e e1 4 5 1 4 m m i 一 通道模块 m i 通道 i e e e l 4 5 1 4i e e e l 4 5 14 传感器1i 传感器2 i e e e l 4 5 14i e e e l 4 5 14 传感器3传感器4 图1 - 6 系统结构刳 本系统主要由三部分组成： ( 1 ) 上位机软件 上位机软件完成的作用是接收嵌入式测量装置传输来的脉搏信号数据，显示 并调用神经网络算法对脉搏信号进行处理。上位机软件也由四部分组成，本别是 t c p i p 通讯模块，测量显示界面，与m a t l a b 接口的引擎程序，m a t l a b 神 经网络程序。这些内容详见第四、五、六章。 ( 2 ) 嵌入式测量装置 嵌入式测量装置主要由两片w 7 8 e 5 1 6 单片机及外围器件组成，这两片单片 机分别为主控制器部分和从控制器部分。从控制器负责实现i e e e l 4 5 1 4 协议中 面向传感器的器件识别、x m l 信息解析、数据采集；主控制器负责实现将从控 制器通过串口传送来的数据打包发送给上位机，同时响应外部键盘，并支持l c d 界面显示。采样后的脉搏信号将依据键盘的指令以时域曲线的形式显示在l c d 上。这些内容详见第二、三章。 ( 3 ) i e e e l 4 5 14 传感器 i e e e l 4 5 1 4 传感器由p v d f 聚氟乙烯薄膜压电传感器和1 w i r e 存储器 d s 2 4 3 0 a 组成，d s 2 4 3 0 a 中将被写入指明传感器特性的一些参数和指标。测量 时，传感器通过腕带装置固定于人体手腕的“寸口”部位。内容详见第二、三章。 中国科学技术大学硕士论文 第二章系统硬件设计 第二章系统硬件设计 ，基于i e e e l 4 5 1 4 的脉搏测量系统包括嵌入式测量系统和i e e e l 4 5 1 4 脉搏传 感器两部分。在整个硬件设计中，嵌入式测量系统的设计是设计的重点，因此首 先介绍嵌入式测量系统，随后再介绍i e e e l 4 51 4 传感器。 2 1 嵌入式测量系统功能及总体结构 嵌入式测量系统作为连接i e e e l 4 5 1 ，4 脉搏信息传感器和外部以太网络的中 转部分，主要功能如下所示： 1 ) 提供嵌入式t c p 通讯服务 1 4 1 ，将传感器的采集的数据以及混合模式接 口( m m l l 的状态通过以太网传给远端的上位机。 2 ) 支持键盘命令的输入 3 ) 支持脉搏信息的液晶显示 4 ) 支持混合模式接口( m m i ) 中1 w i r e 数字通讯【1 7 】，和m m i 通道的配置 5 ) 支持混合模式接口( m m i ) 中模拟脉搏信号的采集和处理 考虑到硬件成本等因素在该嵌入式测量系统的设计中处理器部分主要采用 了与8 9 c 5 1 兼容的w 7 8 e 5 1 6 b p 1 8 】。由于w 7 8 e 5 1 6 b p 的处理能力有限，为了能 够实现设计中需要的功能，本系统采用主从式微控制器结构，用两片w 7 8 e 5 1 6 b p 来构成该嵌入式测量系统的控制核心。该嵌入式测量系统的总体硬件结构图如图 2 - 1 所示。 鲥蒸 谫孺 j 芯 星丞刚苎 i 难 以太网接口 e 2 p r o m 主 控 制 器 串口 通讯 复位 从 控 制 器 电源及其监控电路 通 道 选 择 图2 - 1 嵌入式测量系统总体硬件结构图 i w 1 r e 数字 接口 厂网 l 信号j i 丞塞l 串行 1 2 p r o m s r a m 中国科学技术大学硕士论文 第二章系统硬件设计 2 2 主控制器部分 2 2 1 主控制器w 7 8 e s l 6 b p 主控制器w 7 8 e 5 1 6 b p 是华邦( w i n b o n d ) 公司生产的与8 9 c 5 2 兼容的微处理 器芯片，它具有以下特点 。 8 位c m o s 微控制器，功能上与8 0 c 5 2 兼容 工作电压：+ 5 v ，工作频率：可达4 0 m h z 2 5 6 字节内部r a m ，6 4 k 字节内部f l a s hr o m ，4 k 字节辅助f l a s hr o m 存储器外部扩展寻能力：外部扩展6 4 k 字节r o m 和6 4 k 字节r a m 4 个8 位双向i o 口 4 个可位寻址的i o 口，其中，有两个可复用为中断口 3 个1 6 位定时器 一个全双工串口 六个中断源，两个优先级 封装：d i p 4 0 2 2 2 主控制器和s r a m 的接口 由于主控制器提供的嵌入式t c p 服务需要大量的r a m 存储器，因此如图 2 2 所示，在主控制器w 7 8 e 5 1 6 b p 的外围用两片8 k x8 的6 2 6 4 芯片扩展了1 6 k 字节的s r a m 。 d o d 7 a 8 12 d 0 q 0 d l q 1 d 2 q 2 d 3 q 3 d 4 q 4 d 5 q 5 d 6 q 6 d 7 q 7 i 讦 l e a 0 a 2y 8 y7 剑e 3 _ 6 e l 0 l 7 a 8 a l ： a 0 d 0 a l d 1 a 2 d 2 a 3d 3 a 4 d 4 a 5 d 5 a 6 d 6 a 7 d 7 a 8 a 9 a 1 0 a 1 l a 1 2 c s2 w e c s l o e 6 2 6 4 a 8 a l ： d 0 d l d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 c s2 w e c s l o e 6 2 6 4 图2 - 2 w 7 8 e 5 1 6 与s r a m 的接口电路 舢m舵躬m”“们舳”川川抛 0 1 2 3 4 5 6 7 o l 2 3 眦即眦肿眦附肿眦雎n陀n雎 w 7 8 e 5 6 一一一一一mc n 一叫一 递蒜 5陀 中国科学技术大学硕士论文 第二章系统硬件设计 2 2 3 键盘、显示接口 如图2 3 出示了键盘、显示接口的电路图。 图2 3 键盘及l c d 显示接口电路 键盘部分：本系统设计了4 个按键：分别是“调入键”，“删除键”，“存储键”， “显示键”。在w 7 8 e 5 1 6 单片机扩展了一片8 2 c 5 5 a 芯片以满足键盘对输入线的 要求。8 2 c 5 5 a 是i n t e l 公司生产的可编程输入输出接口芯片，具有3 个8 位的并 行i o 口，本设计中仅使用了8 2 c 5 5 a 的p a 口，并将p a 口设置为输入口，监测 键盘输入电平的变化。 显示部分：本系统采用了o c m j 5 x 1 0 中文图文液晶图形显示器模块。该模 块使用+ 5 v 单电源，同时由模块内部提供显示驱动负电压，简化了系统电源的设 计。该模块可实现汉字、a s c i i 码、点阵图形和变化曲线的同屏显示，因此在本 中国科学技术大学硕士论文 第二章系统硬件设计 系统中可用来显示采集到的脉搏信号的曲线图，以及一些脉搏信号的基本参数。 另外，该模块与单片机的硬件接口除数据总线外，仅使用了r e q b u s y 两根握 手告号线，因此与w 7 8 e 5 1 6 单片机的硬件接口电路可以很容易地实现。该模块 的引脚说明如表2 1 所示。 表2 1o c m j 5 x 1 0 液晶显示模块引脚说明 引脚名称方向说明 lv l e d i 背光l e d 负极接地 2v l e d +i 背光l e d 正极接+ s v 3 v s si 电源地 4v d di+ s v 5 1 2 d b 0 - d b 7i 数据输入0 7 1 3b u s yo = 1 以收至数据正在处理中；= o 模块空闲可接受数据 1 4 r e q i 请求信号，高电平有效 1 5r e si 复位信号，地电平有效 1 6n c 1 7r t l l c d 灰度调整，外接电阻端 1 8r t 2 l c d 灰度调整，外接电阻端 该模块的o c m j 5 x 1 0 模块的用户命令如表2 2 所示 表2 - 2o c m j 5 x 1 0 模块的用户命令 命令功能命令格式补充说明 显示国标汉字 f o x x y y o q w w x x ：屏幕行坐标值。 显示8 x 8 a s c i i 字符 f 1x x y y a s y y ：屏幕列坐标值。 显示8 h 1 6 a s c i i 字符 f 9 x x y y a sq qw w ：坐标位置上要显示的g b2 3 1 2 汉字区位码； 显示位点阵 f 2 x x y y a s ：坐标位置上要显示的a s c i i 字符码。 显示字节点阵 f 3 x x y y b t b t ：坐标位置上要显示的任意字符码 清屏 f 4 上移 f 5 下移 f 6 左移 f 7 右移 f 8 o c m j 5 x 10 模块与w 7 8 e 5 16 的接口除使用d b 0 d b 7 口8 根数据线外， 还使用了r e q 和b u s y 两根控制线，构成请求，应答( r e q b u s y ) 握手方式。 接口通讯方式如下：首先，把命令或数据字节放到数据线上，接着发送高电平 r e q 信号，通知模块，请求处理当前数据线上的命令或数据。模块在收到外部 的r e q 高电平信号后，立即读取数据线上的命令或数据，同时将应答线b u s y 变为高电平，表明模块已收到数据并正在忙于对此数据的内部处理。查询b u s y 是否为低。如果b u s y = 0 ，说明模块对用户的写操作己经执行完毕，可以再送 下个数据。如向模块发出一个完整的显示a s c i i 码的命令，包括显示坐标及 汉字代码在内共需4 个字节，模块在接收到最后一个字节后，才开始执行整个命 令的内部操作；因此，最后一个字节的应答b u s y 高电平( b u s y = 1 ) 持续时 间较长。 中国科学技术大学硕士论文第二章系统硬件设计 2 2 4 以太网接口 以太网接口采用目前在单片机系统中广泛使用的以太网控制器 r t l 8 0 1 9 a s 1 4 1 芯片来实现w 7 8 e 5 1 6 与以太网的连接。 r t l 8 0 1 9 a s 的主要特点： 内建数据预取功能以提高整体性能； 支持8 位或1 6 位数据总线； 内置1 6 k b 的s r a m ：支持全双工传输 支持1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e t , 并能自动检测所连接的介质 支持3 种接口模式：跳线模式、r t 模式和p n p 模式；外接可编程e e p r o m 。r t l 8 0 1 9 a s 引脚介绍： r t l 8 0 1 9 a s 可提供1 0 0 脚的p q f p 封装，其引脚可分为电源引脚、i s a 总 线接口引脚、存储器接口引脚、网络接口引脚和l e d 输出引脚。主要引脚的功 能如表2 3 所示。 表2 - 3r t l 8 0 1 9 主要引脚及其功能 与网络接口引脚 a u l输入用于外部m a u 检测 c d + ，c d 输入a u i 冲突，接收来自m a u 的冲突 r x + r x 输入a u i 接收，接收m a u 的输入信号 r x + t x - 输出 a u i 发送，往m a u 的输出信号 t p r x t p i l x 输入从双绞线接收的差分输入信号 t p r x ，t p l 、x 输出发往取绞线的差分输出信号 i s a 总线接口的引脚 a e n输入i o 端口操作允许 i n t 7 0 输出 中断输出 1 0 c s l 6 输出1 6 位i o 口方式 i o r i o w 输入端口读、写控制 i o c h r d y输出i ( 3 通道准各好 s m e m rs m e m w 输入存储器读、写控制 r s t d r v 输入复位 s a l 9 0 输入2 0 位地址总线 s d l 5 0 双向1 6 位数据总线 l e d 输出引脚 l e d b n c 输出介质类型指示 l e d o 、l e d l 、乙e d 2输出指示控制器的工作状态 存储器引脚 j p输入 置位时选择跳线模式，复全对选择无跳线模式 p n p 输入置位时进入p n p 模式( j p ：0 ) 1 0 s 3 0 输入i o 口基地址选择 p l l o 输入 介质类型选择 i r q s 2 0输入用于在1 n t 7 0 中选择一