個(gè)人狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視及語(yǔ)音通訊系統(tǒng)研究 - 全文

　　　　引言

　　個(gè)人狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視是指及時(shí)地對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)中的士兵或執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)（如反恐）的警察等時(shí)刻具有生命危險(xiǎn)的人員進(jìn)行遠(yuǎn)程生理監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)由多臺(tái)分機(jī)和若干臺(tái)主機(jī)構(gòu)成，各分機(jī)能獨(dú)立采集作戰(zhàn)人員的心率、血壓和體溫等生命信息，并由無(wú)線通信送給主機(jī)。救護(hù)小組根據(jù)主機(jī)中得到的信息對(duì)受傷人員進(jìn)行及時(shí)的救治。另外，實(shí)現(xiàn)各對(duì)象間的語(yǔ)音通訊對(duì)于提高戰(zhàn)斗力也是必不可少的。類似的設(shè)備亦可用于危重病人監(jiān)護(hù)，以減輕醫(yī)生負(fù)擔(dān)。因此，該系統(tǒng)具有較大實(shí)用價(jià)值。

　　系統(tǒng)組成及工作原理

　　系統(tǒng)是由分機(jī)和主機(jī)構(gòu)成。分機(jī)能夠采集人體的生命信息，并經(jīng)無(wú)線通訊傳送給主機(jī)。主機(jī)接收生命信息數(shù)據(jù)，并將其顯現(xiàn)在LCD顯示屏上。不管是分機(jī)還是主機(jī)，設(shè)備之間均能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通訊?？紤]到戰(zhàn)場(chǎng)通訊要求可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，并應(yīng)具有保密性的特點(diǎn)，我們選用無(wú)線擴(kuò)頻通訊技術(shù)。近些年來(lái)，微處理器和大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展使得無(wú)線擴(kuò)頻通訊成本迅速下降。綜上所述，分機(jī)的硬件連接框圖如圖1。主機(jī)結(jié)構(gòu)同分機(jī)相似，只需去掉生命信息采集部分，改為L(zhǎng)CD顯示即可。

　　TI公司近年來(lái)推出的MSP430系列單片機(jī)，是一款優(yōu)秀的16位RISC結(jié)構(gòu)微處理器，其指令周期短，具有多種省電模式，集成的A/D轉(zhuǎn)換器，以及性價(jià)比高等眾多優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到廣大使用者的青睞。再加上它超低功耗特點(diǎn)，很適合作為本系統(tǒng)的核心微控制器。具體型號(hào)定為MSP430F149，它帶有60KB閃存，12位的A/D轉(zhuǎn)換器和硬件乘法器。另外，我們選擇了TRF6900單片射頻收發(fā)器來(lái)完成雙向無(wú)線傳輸。該產(chǎn)品也是TI公司生產(chǎn)，其內(nèi)部集成了完整的發(fā)射電路和接收電路，供電電壓為2.2V-3.6V，并具有低功耗的待機(jī)模式。Stel-2000A是數(shù)字?jǐn)U頻芯片，完成擴(kuò)頻解擴(kuò)功能。語(yǔ)音編解碼芯片選用CMX639，這是一種CVSD（Continual Variable Slope DeltaModulation 連接可變斜率增量調(diào)制）芯片，即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音編碼，也有解碼功能，且連接使用方便。

　　單片機(jī)MSP430F149定時(shí)采集心率、血壓和體溫等信息，并將數(shù)據(jù)編排成一定的幀格式，交給Stel-2000A擴(kuò)頻后由射頻收發(fā)器TRF6900發(fā)出。語(yǔ)音的輸入與輸出由按鍵控制。一般情況下，設(shè)備處于語(yǔ)音接收狀態(tài)，即單片機(jī)讀取來(lái)自TRF6900并已解擴(kuò)的數(shù)據(jù)，送給語(yǔ)音解碼芯片CMX639。當(dāng)鍵被按下時(shí)，麥克風(fēng)處于受話狀態(tài)，CMX639把麥克風(fēng)輸出的數(shù)據(jù)編碼，MSP430讀取該編碼數(shù)據(jù)，處理后送給無(wú)線擴(kuò)頻通訊部分。

　　圖1分機(jī)硬件連接框圖

　　生命信息的測(cè)量

　　傳統(tǒng)的人體血壓測(cè)量采用汞柱式血壓計(jì)，該方法顯然不適用于本系統(tǒng)。目前，松下和歐姆龍公司都已研制成功腕式血壓計(jì)。該產(chǎn)品體積小巧，使用方便，只須將戴在手腕上，我們即可讀出自己的血壓。有的腕式血壓計(jì)同樣有測(cè)量心率的功能。因此，在系統(tǒng)方案中，將腕式血壓計(jì)改裝，作為向MSP430單片機(jī)傳送血壓和心率數(shù)據(jù)的傳感器。應(yīng)該注意的是，心率是指心臟每分鐘的跳動(dòng)次數(shù)，如果我們?cè)跍y(cè)量心率時(shí)，是先測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)的跳動(dòng)次數(shù)，再換算成一分鐘的數(shù)值，那么這個(gè)心率數(shù)值由于變化緩慢，不能及時(shí)反映人體心率的變化。因此，較好的方法是測(cè)量心率的周期，并由周期/頻率轉(zhuǎn)換程序得到結(jié)果。

　　體溫測(cè)量可以使用晶體震蕩法或熱敏電阻法。MSP430F149單片機(jī)自身帶有A/D轉(zhuǎn)換器，為了使外圍線路簡(jiǎn)化，選用熱敏電阻法。電阻電橋輸出的電壓放大后直接送入MSP430F149進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為了盡可能提高體溫測(cè)量的準(zhǔn)確性，測(cè)量范圍應(yīng)設(shè)定在30度到45度為宜。熱敏電阻應(yīng)和人體緊密接觸，所以包括前面測(cè)量血壓的袖套及測(cè)脈搏的壓電傳感器均可固定在緊身內(nèi)衣上，以方便使用。

　　圖2 CMX639和單片機(jī)連接圖

　　語(yǔ)音輸入/輸出的實(shí)現(xiàn)

　　語(yǔ)音通訊功能是本系統(tǒng)的重要組成部分。CVSD芯片CMX639是實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音輸入/輸出的關(guān)鍵器件，其特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。它和單片機(jī)的連接關(guān)系如圖2所示。系統(tǒng)內(nèi)有CVSD程序，其作用是在一般情況下將射頻接收區(qū)的數(shù)據(jù)全部勻速的送給CMX639解碼輸入（DECODERINPUT）管腳。CMX639執(zhí)行一定的解碼算法后送給揚(yáng)聲器。當(dāng)鍵被按下，麥克風(fēng)輸出的信號(hào)由編碼輸入（ENCODERINPUT）管腳進(jìn)入CMX639芯片，由其編碼后，數(shù)據(jù)被MSP430讀入。單片機(jī)中有相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)作為射頻數(shù)據(jù)區(qū)。通訊部分進(jìn)出該數(shù)據(jù)區(qū)與CVSD進(jìn)出該數(shù)據(jù)區(qū)在速率上應(yīng)保持一致。

　　擴(kuò)頻通訊部分的設(shè)計(jì)

　　擴(kuò)頻通訊是由數(shù)字?jǐn)U頻模塊與射頻收發(fā)器TRF6900在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)的。Stel-2000A須外接晶振。圖3給出了單片機(jī)、SSTRANCEIVER和TRF900的連接。圖中SSTRANCEIVER主要是Stel-2000A和兩路A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器完成信號(hào)正交分路后的I和Q支路的模數(shù)變換，具體連接可詳細(xì)參考文獻(xiàn)［4］。

　　圖3 MSP430微控制器、擴(kuò)頻芯片與射頻收發(fā)器連接圖

　　圖4 TRF6900內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)首先對(duì)TRF6900和Stel-2000A進(jìn)行編程配置。TRF6900的CLOCK、DATA、STROBE管腳是編程用單向串行總線，見圖4的TRF6900內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。直接數(shù)字合成器（DDS）中有24位移位寄存器，MSP430給TRF6900配置時(shí)向其CLOCK端腳輸入串行控制脈沖，同時(shí)把控制數(shù)據(jù)置于DATA上寫入DDS的24位移位寄存器當(dāng)中。若STROBE為高電平，則單片機(jī)對(duì)射頻收發(fā)器進(jìn)行DDS模式、調(diào)制器以及PLL等的設(shè)置。設(shè)置完成后通訊部分開始工作，各芯片都在單片機(jī)的控制作用下互相配合，完成通信數(shù)據(jù)的收發(fā)。

　　圖5 主機(jī)系統(tǒng)流程圖

　　軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)啟動(dòng)后先初始化，在各模塊的配置完成后，MSP430開始讀取生命信息的輸入并處理，在一定的控制信號(hào)下送給Stel-2000A，擴(kuò)頻后由TRF6900發(fā)送出去。心率、血壓和體溫的采集和發(fā)送每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次，間隔時(shí)間可以設(shè)為20秒，具體可由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器觸發(fā)的中斷程序中進(jìn)行。一般情況鍵未按下，表示設(shè)備處于接收狀態(tài)，則單片機(jī)控制TRF6900和Stel-2000A接收數(shù)據(jù)。分機(jī)接收到的數(shù)據(jù)一定為語(yǔ)音信號(hào)，由單片機(jī)送給CMX639解碼。主機(jī)應(yīng)根據(jù)接收到數(shù)據(jù)的有關(guān)標(biāo)志，判定是生命信息還是語(yǔ)音信號(hào)。前者由LCD顯示出來(lái)，后者經(jīng)CMX639解碼送入揚(yáng)聲器。當(dāng)鍵被按下時(shí)，設(shè)備進(jìn)行語(yǔ)音的輸入和發(fā)送，此時(shí)暫停對(duì)生命信息的采集，具體過(guò)程如前所述。圖5和圖6是分機(jī)和主機(jī)的系統(tǒng)流程框圖。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了個(gè)人狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視及語(yǔ)音通訊系統(tǒng)合理的設(shè)計(jì)方案。必要情況下，分機(jī)最好能夠向主機(jī)報(bào)告自身位置信息，具體可使用GSP定位。另一方面，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是目前發(fā)展的一大趨勢(shì)，若將其引入將能大大提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性和實(shí)時(shí)性。

　　圖6 主機(jī)系統(tǒng)流程框圖