德州儀器在線技術支持社區(qū)系統(tǒng)硬件設計模板

2023-2023德州儀器C2023和MCU創(chuàng)新設計大賽題目：基于ZigBee的無線ECG心電采集診斷系統(tǒng)賈真jiazhen.云南省昆明市呈貢縣昆明市呈貢新區(qū)大學城東外環(huán)路南路云南大學校區(qū)楠院楊志柳 2 2 22.系統(tǒng)方案 33.系統(tǒng)硬件設計 53.1采集模塊設計 53.1.1設計思緒 53.1.2改善方案 63.2ZigBee模塊硬件設計 7 7 83.2.33.2.3A/D模數(shù)轉換硬件設置 8 83.2.5串口通信硬件配置 9 9 93.3.2本項目中Cortex-M3平臺的應用 4.系統(tǒng)軟件設計 144.2.1算法設計思緒 4.2.2算法流程圖 4.2.3程序的后期設計 5.系統(tǒng)創(chuàng)新 176.評測與結論 參照文獻 19摘要性能處理器，對信號進行深入處理，將心電圖wirelessly.ThesystemusesprofessionalanalogueamplifiertoCollectorwirelessly.TheCollectortransmitsthesignaltotheCortex-M3,whichprocfeaturedwithstrongcapacityofresistingdisturbance,highreliabilpowerconsumptionandtinyshapeKeywords:ECG;Electrocardiosignal;ZigBee;CortexM3然后通過ZigBee傳播，再送至MCU平臺處理顯示?？蓪崟r顯示人體心電圖(ECG),測量人體呼吸，對采集到的人體信號作綜合處理后，可觀測病人的心肌工作與否正常，和時發(fā)現(xiàn)病人隱藏的斷，這不僅解放了護理人員繁重的勞動，并且還為監(jiān)護的和早發(fā)現(xiàn)、迅的方案進行升級與深入研究，該無線系統(tǒng)還可應用于災害搶險中的生命檢測，高危職業(yè)的生命智能我們的系統(tǒng)由安裝在人體身上的電極傳感器采集人體生命信號，經(jīng)放大電路放大后，通過A/D送入子節(jié)點，子節(jié)點通過無線方式將采集數(shù)據(jù)匯報給母節(jié)點，母節(jié)點綜合搜集各個子節(jié)點的數(shù)控制器分析并顯示。整個系統(tǒng)共分為采集、傳送、控制三個大模塊。整體框圖如圖1所示：系統(tǒng)最前端的采集模塊首先通過巧妙分布于人體中的電極傳感器采集各個經(jīng)屏蔽電纜送入模擬電路放大部分，該放大電路是經(jīng)典的ECG小信號放大電路，具有高增益，點。在這里，為了使采集到的人體信號有說服力，我們兼顧了導聯(lián)中間的傳送模塊是整個系統(tǒng)的關鍵部分。A/D部分采用多通道輪換采集，考慮到數(shù)據(jù)包的使用傳播協(xié)議中內嵌了一種小型的微操作系統(tǒng)，因此每次數(shù)據(jù)連接都是一系列系統(tǒng)動作輪詢執(zhí)此每次連接的建立都是寶貴的，這就使得我們在每次連接的母站接受各方數(shù)據(jù)，這里它充當?shù)木褪菂f(xié)調器的角色。協(xié)調器會對數(shù)據(jù)作對應處理，進行初步加之符合系統(tǒng)的特性，這里尤其對數(shù)據(jù)幀的格式做了規(guī)定，以便雙方無誤接受以和精系統(tǒng)終端是控制器模塊，負責將從串口傳過來的數(shù)據(jù)進行顯示，畫出表征對數(shù)據(jù)進行初步分析，做到實時反應被檢測人員的身體特性。由于最終匯總的數(shù)據(jù)量龐人體心電電壓信號的大體范圍是1~4mV,為信號進行合適的放大。1~5V的電壓信號處理起來較為以便，因此我們大體需要對原始心電信號放大1000倍左右。在這里，我們采用了兩級放大的設計方案。若第一級放大增益過高，則輕易自激，因此我們設計第一級放大增益為10倍左右，第二級放大增益為100倍左右。在第一級放大中，我們使用了儀器放大器AD623。AD623是一款低功耗儀器放大器，可以使用3V供電，可以與CC2230模塊可以使用通過外接電阻進行調整。這里我們使用的電阻阻值為15K,AD623的增益約為8~10倍。第一級運放電路原第二級放大我們使用了低功耗通用放大器MCP6004。MCP6004使用1.8~5.5V單電源供電?？梢詫崿F(xiàn)與可知兩級放大總增益約為400至500倍，可以將原始信號放大到0.5~2V,適合CC2530模塊進行采集。圖4右腿驅動原理圖在采集模塊的設計過程中我們發(fā)現(xiàn)，雖然該模塊只用到AD623和為了處理這個問題，我們已經(jīng)開始著手使用TI企業(yè)的ADS1298芯片來實現(xiàn)心電信號的采集。ADS1298是TI企業(yè)設計的專門用于生物電勢測量的低功耗、8通道、24位模擬前端。其中內置8個低噪聲可編程增本來使用AD623和MCP6004的方案，使用ADS1298可1個SK-SmartRF05EB(評估底板)2個SK-SmartRF05BB(電池底板)3支2.4GHz可折疊橡皮天線(天線增益3dBi)ZigBee模塊的整體框圖如圖5所示：RAM,和豐富強大的外設資源，包括8~14位ADC、USART、21個可編程1/接USB供電。它具有卓越射頻性能，包括低功耗持在99%以上。這里，協(xié)調器(亦稱采集器)擔任了采集數(shù)據(jù)之間重要的轉換角色，它要搜集各方數(shù)據(jù)，它同樣采用3.3V供電，由于終端采集節(jié)點分布在傳感網(wǎng)絡的最末端，我們可用8個獨立配置輸入通道并且心電信號躁動干擾大，不需要精確將每一時刻的值都全息記錄，而重要我們的ADC使用8位模式。心電信號經(jīng)放大后出來的信號幅值在2V上下，因此參照電壓選擇片上引(原則狀態(tài)下為3.3V)。SK-SmartRF05EB協(xié)調器上配有的MzLH種字號的中文庫(包括一、二級中文庫)以和兩種字號的ASCII碼細紋字庫；自帶基本繪圖功能。該模組為串行SPI接口，接口簡樸、操作以便；我們使用式數(shù)據(jù)，這樣我們就可以用USB與PC進行通信，但由于我們采用的是ARM處(cortex-m3內核)的全功能開發(fā)平臺—HelloM3-9B9X開發(fā)板。LM3S9B96是TI最新推出的S列Tempest家族中功能最強大的一款，主頻80MHz(100MMIPS)、256KB的閃存、96KB的靜態(tài)存儲器，圖6ZigBee網(wǎng)絡示意圖還需兼顧發(fā)送端A/D采集數(shù)據(jù)并發(fā)送，接受端接受數(shù)據(jù)并通過UART傳至下一級。由于圖7操作系統(tǒng)流程圖部分是系統(tǒng)初始化(Osal_init_system函數(shù)),它會給各個任務分派任務號(TaskID),然后設定對應事件。接著啟動中斷，初始化按鍵與顯示之后，我們就可以啟動操作系統(tǒng)(Osal_start_system函數(shù))。開0sal_start_system函數(shù)使操作系統(tǒng)進入無返回的死循環(huán)，直至系統(tǒng)復位或者看門狗復位。該函數(shù)為輪詢是通信就一定會涉和到兩個終端，也就是我們這里所說的采集節(jié)點和協(xié)調器，因從協(xié)調器的算法中可看出，對于協(xié)調器，它充首先一種網(wǎng)絡一種協(xié)調器，然后協(xié)調器啟動，讀取設備的邏輯類型，讀為協(xié)調器發(fā)操作系統(tǒng)中的組網(wǎng)事件。網(wǎng)絡建立起來后，協(xié)調器將與節(jié)點建立綁定關系，這的綁定，協(xié)調器會進入容許綁定狀態(tài)，我們需設置時理人員是自主的，本系統(tǒng)中我們將時間設定為任何時候都容許綁定，在收到子節(jié)點由于在ZigBee的操作系統(tǒng)中有消息來訪事件(有點像的來電顯示),只要節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)出，協(xié)調器就會進入接受數(shù)據(jù)指示函數(shù)，通過判斷數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)幀頭部標志(詳細的數(shù)據(jù)幀格式將在下面的發(fā)送部分詳細講解),進入心電信號匯報處理部分，我們將采集到的8位數(shù)據(jù)擴大一倍，然后采用軟件微濾波的方終端采集節(jié)點的流程圖基本同協(xié)調器，與協(xié)調器相比，去掉了串口部分，增長了A/D采樣模塊，然后采集節(jié)點就會發(fā)出綁定裝置信號，若返回成功標識，則綁定完畢。接著就是發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自A/D采樣部分，現(xiàn)先通過圖9指明A/D的詳細過程：圖9A/D采樣流程圖A/D采用p0.1通道，轉換精度采用8位，有效位為7位，也就是說我們采集到的電壓數(shù)據(jù)在1到127然后后續(xù)字節(jié)為采樣數(shù)值，由于A/D轉換精度采用8位，因此一次采樣值剛好可以放入一種字節(jié)中。又由于120ms啟動一次發(fā)送事件，意味著兩次發(fā)送之間有120ms的間隔，我們在這段間隔中插入了15次A/D采樣，每次采樣間隔6ms。由于心電信號在它的上跳點處頻率很高，因此我們充足挖掘了ZigBee的數(shù)據(jù)傳播首先從指定端口0的接受FIF0中獲取一種數(shù)值，通過顏色將數(shù)值畫在第一列上，然后繼續(xù)接受下一種數(shù)值，畫在第二列，并與第一列的數(shù)值點連接成線。如此循環(huán)畫下去，當畫滿一屏由于屏幕是320x240的規(guī)格，將屏幕分為兩部分，縱軸0~23的范圍處畫框顯示標題，縱軸29~239的然后重新刷新，覆蓋前一屏的波形。在顯示波形的區(qū)域，將其分為小塊的方格，以便觀測，并將5x5的方格畫一種邊界。在畫每一列的過程中，先著背景色，再畫出方格線，最終畫出數(shù)值點當輸入三路信號時，分別用紅綠紫表達。通過列數(shù)計數(shù)器j累加，來判斷與否畫完一屏數(shù)據(jù)。當畫完一屏時，列數(shù)計數(shù)器j清零，重新從第一列畫起，逐漸覆蓋前一屏的波形。加入計算心率算法，增長心率，體溫參數(shù)的顯示接受多種顧客的數(shù)據(jù)，通過觸屏選擇任何一種人的心電圖并顯示通過上位機與電腦連接，將所有的數(shù)據(jù)傳給電腦，以便深入的處理5.系統(tǒng)創(chuàng)新醫(yī)院或小區(qū)老齡人或特殊人群的監(jiān)護周期長，并且監(jiān)護這項工作的特點就是“防止萬一”,有特殊狀況的時間在整個監(jiān)護時間段內只是一瞬間，但為了這一瞬間我們需要每時每刻的監(jiān)耗問題，而ZigBee恰好就具有低功耗的特點，兩節(jié)一般5號電池就可以驅動。因此采用低功耗的ZigBee上，然后通過有線的方式將數(shù)據(jù)傳播至醫(yī)務人員辦公室，這樣受護理者的活動范圍案是病人自身要攜帶粗笨的檢測分析儀器，而病人自身是很少有分析能力，因此這的方式傳遞至另一邊的分析端。這樣既給了受護理者息事件的間隔不能太小，否則會導致連接的中斷，鑒于此，我們發(fā)明量，即在一種數(shù)據(jù)包中放入多次A/D采樣值，通過一定延遲后再進行采樣。我們本來每兩次數(shù)據(jù)發(fā)送之間的定期周期為12ms,每次發(fā)送兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)，可以說數(shù)據(jù)率很低下，后來我們采用多次采樣，打包發(fā)送的措施后，每次發(fā)送15個字節(jié)的數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)率。這可以說是對ZigBee數(shù)據(jù)傳播極限的一種挖掘。此外，放大電路的AD623、MCP6004與子節(jié)點的CC2530都是低功耗產品。這樣，兩節(jié)電池就可支持子節(jié)點右的可觀測信號，先用示波器觀測前級心電圖(E稍微下跳的波形。接著我們將子節(jié)點采集到的信號用無線方式發(fā)送給了協(xié)調器，這里，每120ms發(fā)送一種數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包括14個有效采樣值，它們是每隔6ms采樣一次，由此發(fā)現(xiàn)發(fā)送速率實際為800bit/s左右。協(xié)調器的LCD顯示屏可以看到實時采集