【《医疗点滴监控系统硬件的设计和实现分析案例》6800字】

PAGE38PAGE37医疗点滴监控系统硬件的设计和实现分析案例目前对于如zigbee等在无线通信中的网络信息系统的布局规划和系统设计一般被大致划分如下为两种。一种应用类型就是将整个操作系统都软件集成应用到一个软件模块中,具有整个系统软件集成应用程度高、体积小的巨大优势,但它们之间进行电磁兼容比较困难。另一种设计形式就是将整个传感系统分别进行设计为两个节点模块,传感器各个节点收发模块和基于zigbeee的射频信号收发节点模块,这样更加简单有利于以后两个模块的不断完善和技术升级,其他的各种射频信号收发节点模块也都同样可以直接进行安装到整个传感器的各个节点收发模块上。1.1点滴监控系统的网络节点整体结构1.1.1网络节点硬件设计流程图本章的核心内容是硬件设施组成结构的差异控制节点的综合深化设计，下面展开具体论述介绍。但是，为了简约化软硬件设施的综合深化设计，减少操作应用软件研发花费，体系里的每一个服务终端控制节点与协调管理控制器设备都应用了一致的硬件设施组成结构。参考依据控制节点的真实要求，仅仅需要把所需机器设备焊接加工并且录入相对应的操作软件应用程序就可以。控制节点的硬件设施综合系统设计流程示意图，如下示意图1.1所示。图1.1控制节点硬件设施综合系统设计流程示意图1.1.2网络节点硬件的整体框图硬件设施集中工作电路综合设计通常是由3个组成部分构成：无线通信功能模块、协助功能应用模块与感应设备功能模块。硬件设施工作电路的中心组成部分是无线通信功能模块，在这其中，主要包含：射频自动收发控制器设备基本单元与微控制操作设备基本单元，充分保障了数据信息的全面处理与发送传输以及自动接收作用功能；供应电源，指令，串行接口通讯作用功能则由协助功能应用模块来全面负责实现了。地区内各种数据信息的采集由传感器模块来进行监控。硬件集成电路的总体设计框图及其设计思路如下图图表1.2所示。图1.2控制节点硬件设施工作电路总体框架示意图1.2无线通讯模块1.2.1ZigBee芯片应用分析目前交易市场上ZigBee控制芯片供应商(2.4G)，通常包括：TI/CHIPCON、ENBER(ST)、JENNIC、FREESCALE、MICROCHIP、CEL等。截至当前，ZigBee专业技术供应模式通常包括：三类：1.ZigBeeRF+MCU，举例：TICC2420+MSP430、FREESCALE的MC13XX+GT60、MICROCHIP的MJ2440+PICMCU；2.单控制芯片集中SOC，例如TI的CC2430/CC2530(8051工作内核)、1.单控制芯片内部设置的Zigbee的服务协议栈+一个外挂的微控制操作设备控制芯片。举例带有jennic的运算函数soc+eeprom、ember的260+MCU、TI的CC2480+MCU。截至当前，主流通用的ZigBee控制芯片对比分析，具体见下表1.1。本文选用CC2530控制芯片作为ZigBee无线感应设备互联网的无线通讯功能模块。cc2530控制芯片主要功能是基于chipcon自主研发的2.4ghz等级射频收发器控制芯片,符合chieee802.15.4标准,芯片可以实现工作频率范围2400-2481.6mhz。cc2530供应了完整系统的微控制操作设备与很多种不同无线通讯互联网端口，而且它融合了RF收发器的诸多优点。1.2.2射频收发模块CC2530无线射频功能模块的重要特征：（1）通讯信号频段2.4GHz，数据信息自动传输速度250kbps（2）控制芯片内部集中有低噪音放大设备、差分扩大工作电路、工作电源稳压控制器设备等（3）方式应用了0-QPSK数据调节控制，直接排布序列扩频抗外界干扰水平十分强（4）应用低压电源，输出功率可编程控制射频自动收发功能模块体系结构如下示意图1.3所示。射频自动收发功能模块集中了ZigBee信号天线、信号天线和控制芯片自动收发管管脚相互之间匹输工作电路、主射频控制芯片CC2530、外围工作电路与端口工作电路。射频自动收发功能模块的作用功能是自动收发感应设备控制节点板的数据信息。图1.3射频收发模块系统框架图cc2530寄存器的数据缓冲区接收数据的方式是先进先出,用先进先出方法读取数据时,就必须使用到具有独特作用功能的寄存器设备端口。数据信息缓冲处理区及其针对数据内存数据信息的获取全面处理一般应用DMA方式。频次自动合成控制器设备由LC工作电路、VCO工作电路与分相控制器设备构成。分相控制器设备可以形成当地振荡数据信号，同信任号，正交振荡相位数据信号。在认可接受方式下，上述数据信号与早已认可接受的数据信号经过一个降频转换混频控制器设备形成中低频的数据信号。在发送传输方式下，数据信号到达升频转换混频控制器设备形成射频数据信号，然后再由天线发送出去。1.2.3CC2530无线通讯模块电路设计无线通讯操作控制功能模块通常是由cc2530控制芯片与它们的外围集中工作电路功能模块构成。cc2530控制芯片将整个RF自动收发控制器设备，微控制操作设备及闪存都集中到一个芯片上,集成度非常高,自然其中所需要的外接设备元件也就十分少了，这样一来，不仅简约化了工作电路综合设计，与此同时，也减少了硬件设施研发时间而且把服务网络控制节点的有效尺寸大小进行了降低。CC2530无线通信自动收发功能模块工作电路硬件设施的综合系统设计，具体如下图1.5所示:图1.5CC2530自动收发功能模块工作电路示意图这个工作电路里32-.0兆赫兹的晶振经过选用外界32-.0兆赫兹的振荡器设备x1以及带有自动输入荷载的额定电容c2和c3的自动输出数据信号来组成一个晶振工作电路。除此之外它们里还存在一个32.768-.0兆赫兹的晶振，由32.768-.0兆赫兹的振荡器设备x2与2个带有正弦振荡波荷载的高频额定电容c15与c16构成，可以广泛应用大幅度地降低对睡眠时间的损耗与精确唤醒的有效时间。cc2530控制芯片周围设立了一个能够完成退耦的操作控制工作电路。当控制开关产生动作的时候，工作电路要求从工作电源线上瞬间获取一个大工作电流，但是相对应的工作电源的工作电压也会减少，对设备器件导致干扰，为了避免这个情况，我们就要人为的在控制芯片四周加装设置一个蓄能的“工作电池”来供应这一大工作电流，退耦工作电路在这里就担任起了"工作电池"的作用功能，规避了对设备器件的影响干扰。退藕额定电容有c12、c13、c17、c18等,主要有两个重要的作用：一是充当起来蓄电池的作用，二是将高频噪声旁路掉。在这个串口电路中,cn1和cn2依次是指二十个不相同串行接口端口的无线通讯链接控制器设备，大力发挥链接cc2530无线通讯功能模块和下面的工作电源电路、感应设备工作电路与串行接口工作电路的影响。1.2.4CC2530调试接口电路DEBUG工作电路是CC2530控制芯片程序编译的端口工作电路，能够在线联网测试。测试端口硬件设施工作电路例如1.7图所示:图1.6测试端口工作电路示意图接线端子P1是专为CC2530烧写程序的接口,可以实现在线调试。CC2530控制芯片供应了专业的两线串行连接测试接口p2_1与p2_2。经过这一测试端口，能够擦除整个控制闪存储存设备，暂停与开启客户应用程序，操作控制振荡器设备，履行8051工作内核供应的指示，设立程序代码断点，单步测试工作内核里的每一个指示。当RESET_N置低的时候，而且P2_2产生2个提高沿时，体系将会全面进入测试方式。当服务网络控制节点在测试方式的时候，P2_1是测试数据信息接口，P2_2是测试控制时钟自动输入控制端口。当服务网络控制节点没有位于测试方式的时候，它能够当做常用I/O控制端口运用。1.3辅助模块1.1.1电源设计在该体系的综合深化设计里，首先需要思考到的应当是工作电源和稳压组成部分。这个构成组成部分的科学性及其自动输出综合质量，都是充分保障体系安全、稳定、高效地运行工作的根本需求。在本次的系统设计中要同时考虑到芯片的工作电压和抑制电源纹波。电源的纹波通常是一种直流和高频电压下的耦合交流的残留分量,尽管它主要目的之一就是被广泛地应用于交流和高频电压的整流和滤波后由于信号滤波不干净而产生的剩余残留交流的残留分量,也就是说,使用蓄电池进行供应电源也一样会形成分布纹波。在小额定功率数据信号的测量确定里，一个小工作电源数据信号分布纹波的幅值也很有可能会直接影响到其他电子元器件,因此设计过程中的一个重要思考的就是分布纹波的遏制。截至当前，大部分的工作电路都是应用了控制开关式工作电源，所以控制开关式工作电源造成的分布纹波，就是整个工作电路里多种分布纹波最显著的主要来源。一般，运用低压差数学线性稳压控制器设备就可以减少开关电源产生的纹波。稳压控制芯片的体系类型非常多，有78、79体系与简单的控制开关工作电源(LM），这其中不详细论述介绍。经过对多种控制芯片的对比分析与研究分析，最后选用了低衰落数学线性稳压控制器设备的控制芯片LMlll7。实时监测仪依次选用5v与1.3v两大类直流工作电源。在这其中，5v为外界连接到的工作电源，1.3v主要应用在cpu及其外围端口机器设备。选用了应用LMlll7作为dc-dc之间的工作电压转化处理控制芯片。LMlll7是一类应用在低衰落的数学线性稳压控制器设备的控制芯片。电压变换输出的精度±1%,能够支持兼容最高1a的工作电流自动输出。外界5v直流工作电源经过LMlll7展开交换后逐渐发展成为了1.3v。假如工作电压也可以说工作电流产生了忽然性的转变，就很有可能对它们造成一定的干扰，这类电容器可以被设计来抑制突变。输入电容的主要功能之一就是过滤噪声和抑制输入端电压的改变。输出电容是指用来遏制因荷载工作电流或者自动输入工作电压的瞬间转变而造成的自动输出工作电压转变。在这其中，工作电源控制操作设备集中工作电路如下示意图1.9所示。图1.9工作电源电路示意图1.1.2RS-232串行通信接口在截至当前，当代自动智能电脑计算机第二产业自动智能化过程操作控制的大规模推广和应用里，在由自动上位机与下位机一起操作应用构成的电气自动智能化过程操作控制综合管理应用体系里，PC操控机和单片机设备之间的通讯常应用UART的模式展开。RS232串行接口服务协议是电脑计算机通讯里一类运用便利、使用非常广泛的通讯服务协议。但是，旧有传统类型的串行连接控制端口实际有效体积太过于大,占用空间大。与USB相比,插拔接口不是很方便。目前,大多数计算机产品正朝着小型化、便携化方向发展,可以随时与上位机进行通信,USB小微型常用端口运用起来更加便利。少数生产加工厂家专业研发了usb转串行接口的控制芯片，主要生产加工的商品种类有：(1)PL2303体系，服务协议标准规范是usb1.1，市场价格一般而言便宜，但是其作用功能对比分析于其他控制芯片比较差劲，控制芯片也不简单焊接加工；(2)CP2102作用功能价钱中等，服务协议的标准规范是应用usb2.0全速兼容支持usb1.1，工作电路简易，能够落实好一个单片独立的任务工作并不需要外界的设备元件，但是焊接加工最不简单；(3)FT232服务协议标准规范为USB2.0全速兼容支持USB1.1，市场价格较及其以上两大类偏贵，但是作用功能最稳定，而且联动支持兼容最好，焊接加工起来相对也比较简单。为了更加良好地追逐整套体系数据信息通讯的安全与稳定安全性，本次研究分析研究课题选用了ft232rl控制芯片，usb串行连接控制器设备一些的工作基本理论框架示意图组成结构具体如下所示文的图1.10所示。FT232RL控制芯片的重要系数具体如下所示：逻辑思维作用功能号：232信号有效带宽：48.0兆赫兹桥接种类：USB-UART最高工作电源电压：5.25V最低工作电源电压：1.3V任务工作温度作用范围：-40摄氏度至85摄氏度28针SSOP封装处理图1.10USB转串行接口原理示意图1.1.3LED指示除以上工作电路外，协助功能模块还综合系统设计了2个LED分布状态指令控制器设备。led主要是用来代表节点的工作状态,即液位和滴速。led指示灯是用cc2530芯片和低电平有效地驱动p1_0/led1和p1_1/led2。辅助接口模块中也分别包含了一套以红外无线通信专用接口模块电路引脚为通信基础的可连接无线到红外cn2530无线通信的辅助模块,其中包含连接器元件cn3和容器cn4的红外无线通信专用接口引脚和红外无线通信接口模块中包含连接器元件cn1和容器cn2的红外无线通信专用接口管脚一致，一组以红外无线通讯红外无线感应设备协助功能模块工作电路为通讯基础的红外无线通讯特殊专用端口管脚工作电路称之为p4，他们是和红外无线感应设备协助功能模块的通信接口电路p3相同。其中的led分别指示控制电路基本结构及其框图格式如下图本表1.11所示。图1.11LED指令工作电路示意图1.4天线无线通讯专业技术对信号天线的发展进步展开分析研究同时也是十分关键的，它直接影响到信号天线的运用成本费用、作用功能、有效尺寸等。信号天线的材料性质类型非常多，综合系统设计与安装设置运用以前选用一类合适自身的家用信号天线都能够说是十分关键的一步。但是截至当前，一般应用在非常短距离展开无线通讯的自动发射信号天线主要能够划分为三类：PCB信号天线、贴片式信号天线和鞭状天线。三种不同的通用天线都具有各自的特点:PCB这种天线所需要占用的内存空间很多,但是其造价低。但是想要得到更好的仿真效果还必须先用仿真工具进行调试，使其达到理想状态；贴片天线的占用空间最小，价格比PCB稍微贵了一点点，想要达到设计目的还需要经过外部元件的调试；鞭状天线的性能效果远超二者，但是成本也远超二者，单极可以做到全方位的辐射。1.5传感器模块数据信息收集通常能够应用如下几大类设计方案：①应用一个发光二极管设备与一个光敏三极管构件排列组合。②应用一个红外发光二极管设备与一个认可接受管排列组合。③使用激光。经过和对照，在本文中对检测到的距离数据进行了分析,所以我们在设计中,应用设计方案②的方式来完成了对检测得的数据信息收集。因为红外光波长比可见光线的波长更长,故它们对受到的可见光线的影响作用较低。与此同时，这个红外体系还依次具备如下特征：它的功能优势是有效容积小、质量轻，可以高效地抵抗多种可见光线波段的伪装打造，对于其他辅助元件的要求最低,对于人眼无任何伤害。1.5.1液滴检测系统原理液滴检查系统就是基于光折射法进行设计的。光从不同实际有效密度的中间介质经过的时候，有可能会产生折射，反射或散射。举例，当液滴从漏斗中流经时,液滴的表面弯曲并且光滑,起到凸透镜的效果。但是当传感器接收到的光来自左壁(或右壁)时,由于水滴的折射、反映和散射,传感器所接收到的光强度就会大大降低。这样就能够使用相对应的感应设备来完成对落差作用的测试，进而完成对落差作用速率的测试。液滴速率测试特殊专用感应设备链接示意图，如下示意图1.13所示。图1.13感应设备安装设置原理示意图1.5.2红外对管通常所见的红外发光二极管设备的外形和发光二极管LED有些像。该二极管的电压降约为1.4v,工作时的输出电流峰值应不得高于20mA。为了更好的适配各种工作环境，通常会在点路中串上限流额定电阻。红外光的自动发射和自动接收主要应用两大类模式，一类是直射的，另一类就是反射的。直射式主要指的是发光管与接收器分别在被控对象之间的两个端口相对地进行放置,二者相互之间存在一定有效实际距离。反射式通常指的是的是把发光管和自动接收控制器设备展开并列放置，接受管平时没有任何光照。只有当一个被发光管发射的红外光与被反射控制器设备反射的时候，自动接收管收到反射光才可以展开任务工作。这项目所综合系统设计的液滴式检测量控制制工作电路依次要求安装于液滴管两侧。考虑到它的形状及其应用,所以我们采取了直射型红外发光二极管。1.5.3红外传感器收发电路红外自动发射及自动接收管，依次安装设置在输液瓶的两端。当液滴滴落，流经红外自动发射器设备发射出来的光束时，接收端会立即感应到，并且将这种感应的光信号转化为电信号，倒是电信号太过于微弱，所以我们选用一个信号放大电路，再用积分电路消除掉干扰信号，然后再由比较器进行整形，得到一个与液滴同频率的方波信号，此时单片机会采用脉冲的方式进行计数，从而计算出点滴的流速。通常在输液的环境里会存在各种各样的干扰光,考虑到这个因素会使我们的监测的结果准确度大打折扣，所以必须想一个办法解决这个问题。最终我选择了采用红外光调制解调的方式避免干扰光的影响。如本框图1.14所示，红外调节控制工作电路，应用555定时设备工作电路，R4，R5，C14确定了其振荡频次，这个调节控制工作电路的红外数据信号振荡频次为38KZ