用于测量体温的无线实时监测系统的设计与实现

用于测量体温的无线实时监测系统的设计与实现发表时间：2006-02-19 19:01:51发布人：administrator 来源：来源:微计算机信息 作者：作者:彭祖林 阅读次数：682摘 要：介绍了一种基于无线数字传输芯片和单片机构成的病人体温监护系统的设计，讨论了系统的硬件电路设计和软件设计。在该系统中，单片机对温度传感器进行控制和数据传输，借助串行通信实现了人机交互控制。运行表明，该系统控制方便、工作稳定，能实现可靠的无线数据传输。关键词：无线传输；体温监测；数字温度传感器；nRF2401芯片1 引 言 对体温等生命指征参数的监测是临床上对病人监测比较频繁的项目，它有利于对病人进行及时有效的治疗处理，但目前大部分监护系统都是有线监护或者床头监护，对处于恢复期可以自由活动的患者或者传染病患者(如SARS患者)有一定的局限性，限制了康复期病人的活动范围，而且加大了医护人员的工作强度和接触患者的次数，这就使得对于无线监护系统的研究显得尤为重要，为此设计了一种体温实时无线监测系统，对病人进行实时跟踪监护。2 系统框图 本系统利用ADuC812高性能单片机及其外围电路完成对DS18B20单总线数字温度传感器的控制和数据转换，利用nRF2401单片无线收发芯片为核心构建的无线收发器完成数据的远程传输，借助单片机和计算机之间的串行通信完成人机交互控制，并用VB语言开发了系统的交互界面。图1所示就是体温实时无线监测系统的原理图。图1 体温实时无线监测系统的原理图3 硬件实现 按照系统原理图的设计，整个系统中需要用到的硬件芯片主要包括DS18B20单总线数字温度传感器、nRF2401无线收发芯片、ADuC812单片机、MAX3221E等，这些芯片配以相应的外围电路就构成系统的基本硬件结构。下面对各硬件的特点及其在本系统中使用的相应电路分别进行介绍。3.1 DS18B20单总线数字温度传感器 DALLAS公司的DS18B20单总线数字传感器工作温度是-55125，在-3085范围内温度测量精度为0.5；具有设置报警功能，用户可以设置最高和最低报警温度，且设置值掉电不丢失；采用DALLAS公司所特有的单总线通信协议，只用一条数据线就可实现与MCU的通信；此外，DS18B20能够直接从数据线获得电源，无需外部电源供电1。 DS18B20与单片机的接口电路如图2所示，DQ为数字信号输入/输出端，GND为电源地，VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。图2 DS18B20与单片机的接口电路 DS18B20主要有四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。光刻ROM的64位序列号是出厂前被光刻好的，相当于给每个DS18B20分配了一个独一无二的64比特地址序列码，这就允许多个DS18B20工作在同一条一线总线上，从而大大简化了分布式温度传感系统的应用。温度传感器完成对温度的测量，温度报警触发器TH和TL以及配置寄存器的设置值都以一个字节的形式存储在E2PROM中，在编程时使用一个存储器功能命令可对其写入。3.2 nRF2401无线收发一体芯片 nRF2401是挪威Nordic公司推出的单片2.4GHz无线收发一体芯片，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块。工作于2.42.5GHz ISM自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。nRF2401支持多点间通信，最高传输速率达到1Mbit/s。它采用SoC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。nRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。nRF2401是业界体积最小、功耗最低、外围元件最少的低成本射频芯片。 它的主要特点如下2： （1）采用全球开放的2.4GHz频段，有125个频道，可满足多频及跳频需要。 （2）速率(01Mbps)、发射功率和工作频率等所有工作参数可编程设置。 （3）电源电压范围为1.93.6V，功耗很低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时只有18mA。 （4）每个芯片可以通过软件设置最多40bit地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据。 （5）内置CRC纠检错硬件电路和协议。 （6）采用DuoCeiverTM技术可使用同一天线同时接收两个不同频道的数据。 （7）采用ShockBurstTM模式时，能适用极低的功率和适应多种MCU的操作。 （8）无需外部SAW滤波器。 （9）可100%RF检验，并且带有数据时隙和数据时钟恢复功能。 图3是nRF2401在本系统中应用的原理图。由图可知，该芯片外围元件非常少，一共只需要15个。在实际设计中可使用单鞭天线或环形天线。在使用不同的天线时，为了得到尽可能大的收发距离，电感电容的参数应适当调整，电感需要采用高Q高精度的贴片绕线高频电感，晶体需采用高稳定晶体，电容应选用高稳定贴片元件等3。图3 无线收发模块电路原理图3.3 ADuC812高性能单片机 ADuC812是Analog Device公司最新推出高性能单片机，由与8051/8052兼容的内核、片内外围设备、电源单元和模拟单元组成。8051兼容的内核额定的工作频率是12MHz(最大可达16MHz)，功能包括看门狗定时器WDG、电源监视器PSM、高速ADC以及DMA控制器。片内有8kB的闪速/电可擦除程序存储器，640B的闪速/电可擦除数据存储器和256B的片内数据SRAM，支持16MB的外部数据存储空间和64kB的外部数据寻址空间，为多处理器接口和I/O扩展提供了32条可编程的I/O口线，同时具有标准的UART接口和可配置的I2C端口或SPI端口。模拟单元包括一个8通道高速(200kb/s)自校准12位ADC、2个电压输出DAC、片内具有410-5/电压基准和温度传感器等4。采用这种高性能单片机对于实现快速采集数据十分有利，而且ADuC812的内核是国内技术人员比较熟悉的Intel8051，应用开发比较方便，在硬件上也方便以后的功能扩展。因此，本系统中选用它对温度传感器进行控制和与计算机进行串口数据通信。3.4 串口通信 EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。因此为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的转换。由于本系统采用3.3V设计，因此选用MAX3221E芯片完成双向电平的转换。4 软件实现4.1 单片机程序 由于DS18B20和nRF2401对读写时序要求比较严格，因此本系统使用单片机的汇编语言进行编写控制程序，程序保存为A51文件类型，用Keil C51进行编译和调试5。 该控制程序主要是对温度传感器、无线收发模块以及两个输入按钮（换药按钮和紧急呼叫按钮）进行控制，并采集温度传感器测量的人体温度数据，同时控制无线收发模块传送采集到的命令和数据。在本系统中的固件程序采用中心端和体温数据采集端一体化设计，整个系统的程序流程图如图4。 根据硬件电路设计，软件编程的基本思路是在系统上电后，首先对nRF2401和DS18B20初始化，由标志位FLAG1来判断程序运行在中心端还是在体温数据采集端，然后进入激活方式。同时，单片机循环监控换药和紧急呼叫两个输入、串口数据和nRF2401的DR1管脚，判断是否有新命令的发送和新数据到来。对于nRF2401，本系统只需对状态字后的144bit进行配置，其值从高到低分别为8EH, 08H, 1CH, 20H, 50H, 0AH, 0BH, 0CH, 0DH, 0EH, 0AAH, 28H, 0AH, 0BH, 0CH, 0A3H, 6FH, 65H。配置后nRF2401的通道1数据段长度80bit(其中nRF2401的序列号8byte + 2byte温度数据)，地址段长度40bit，通道1硬件地址0AAH, 28H, 0AH, 0BH, 0CH，使能16位片上校验，单通道接收，突发传递模式，通信速率1Mbit/s，晶振频率16MHz，输出功率0dBm，工作频段2.450GHz，开始处于接收状态。图4 程序流程图 在系统中我们用DS18B20出厂前光刻好的序列号区分每个体温数据采集端，因为DS18B20的序列号（64比特地址序列码）是一个独一无二的。因此，在监控计算机的数据库中只要用序列号与病人的姓名进行关联即可。4.2 监控计算机用户界面和数据处理 使用VB6.0对系统用户界面和数据库部分进行编程，主界面如图5所示。作为性能测试的演示系统，只设计了8个用户，系统默认设定为每隔10分钟循环轮询测量一次，也可直接点击界面上的病人姓名进行有针对性测量，测得的数据能实时显示和存储在数据库中，系统也能对测得的数据进行分析，从而达到研究分析病人体温变化状况的目的。图5 监控计算机主界面 由于DS18B20的测量精度为0.5，而系统要求对病人的测温精度为0.1，因此必须对测量数据进行校正。由于DS18B20是基于带隙结构的数字式温度传感器，PN结增量电压正比于IC绝对温度（PTAT）的感温器件，带隙电路PTAT的特性具有轻微的高阶曲率特性，它的非线性误差是稳定的、并且时变性很小6。因此，充分利用监控计算机的处理能力，在监控计算机上用线性插补的数学方法对其进行误差校正补偿，能轻易地将其精度提高10倍。经过实际运行证明：在-25+90的温度测量范围内，精度达到了0.04。图5中右边是温度传感器测量的数据（包括序列号+温度），中间显示为经过校正后的实际温度（只精确和显示到小数点后一位）。5 总结 本文介绍了利用ADuC812、DS18B20和nRF2401等芯片设计的病人体温无线监测传输系统，通过试验证明，系统很好地实现了各参数信号的有效传输，同时，佩戴发射盒的病人在距离监控计算机100m范围内可以自由活动。在数据处理上，充分利用了计算机的处理能力，在监控计算机