基于nRF9E5的无线多生理参数采集系统设计

吕俊龙 陈春燕 郭有强

(1.蚌埠学院计算机科学与技术系，安徽 蚌埠 233030;2.蚌埠医学院计算机教研室，安徽 蚌埠 233030)

便捷高效、经济可行的人体生理参数采集系统对于医疗过程中数据采集水平的提高相当重要［1］。目前表征人体基本生命指标的常规生理参数有体温、心电、脑电和脉搏等［1，6］。在此针对体温、心电、脑电参数，设计一套基于nRF9E5的无线便携多生理信号采集系统。

1 系统的整体设计

生理信号检测系统根据其检测信号的不同，功能各异，但其整体构成却基本相似［3］。本系统通过多个传感器或电极选用多路开关采提取出人体生理信息，转化为可以处理的生理信号;然后经过信号调理电路将提取的信号进行放大、滤波、运算、回复信号特征和抑制干扰等加工得到所需信号;最后将信号通过nRF9E5模块传送给MSP430进行AD转换以及相关的处理并实时显示。生理信号检测系统构成如如图1所示。

图1 生理信号检测系统构成

2 硬件电路设计

2.1 心电采集

心电采集模块设计分为两个部分:一部分心电信号的采集及调理电路的设计;另一部分是心电信号的采集处理。心电通过电极从人体体表提取出来，然后信号放大、调理电路，调理后的信号经nRF9E5无线发送给MSP430单片机。

因心电信号取自于人的体表，信号源阻抗较大，背景噪声强，故采集电路应具有高增益、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、高安全性、合适带宽等特点。本设计中放大调理采用图2所示设计方法。

图2 心电采集模块框图

心电信号经电极拾取后先利用前置放大进行初步放大。针对心电信号的采集要求，前置放大电路采用AD620［2］高精度仪表放大器，在1和8引脚间跨接增益电阻可方便的调节放大器的放大倍数。增益为:。为了消除人体引入位移电流产生的共模干扰，在前置放大电路引入了右腿驱动电路，即把前级放大电路的增益电阻处反馈信号从反向放大器的负端输入，放大后接人体右腿来减小共模干扰。为了提高电路的输入阻抗，降低人体与地面之间的漏电流，又在前置放大电路添加屏蔽驱动电路。图3为带屏蔽驱动和右腿驱动的前置放大电路。

心电信号频率集中于0.05～100 Hz，其中主要的干扰来源于50 Hz工频干扰，所以滤波电路分为低通滤波、高通滤波和50 Hz陷波电路。低通滤波电路采用增益为1的巴特沃斯滤波器，只需选取适当的 C1、C2、R1、R2，就可以使低通截止频率为 100 Hz。高通滤波采用Sallen－Key二阶高通滤波电路，同样设置 C1、C2、R1、R2使得截止频率为 0.05 Hz。50 Hz陷波电路采用双T陷波电路来滤除50 Hz工频干扰。

图3 带屏蔽驱动和右腿驱动的前置放大电路

后置放大电路把经过前置放大和滤波的信号进一步放大，使信号正好处于nRF9E5中ADC的刻度范围内，进一步提高采集精度。经过调理后的模拟信号输入数据采集平台，通过处理器和外围设备实现心电信号的采集传输。

2.2 体温检测

传统的体温检测使用水银温度计，虽然水银温度计具有成本低、测量简单且准确的优点，但因其测量时间长和测量数据不便于计算机读取，故不适合集成。本设计借鉴工业控制中的测温办法，采用热敏电阻来检测体温。热敏电阻是半导体感温元件，具有灵敏度高、反应速度快、体积小质量轻、热惯性小、寿命长、价格低、方便集成的特点。体温采集模块分为体温采集与调理。

体温调理采用桥路测温电路，热敏电阻为MF51E，桥路测温电路所需要的精密电压基准电源由MAX6029转换而来。信号放大器选用AD623。采集信号通过放大、调理电路后经nRF9E5无线发送给MSP430单片机。体温采集电路如图4所示。

2.3 脑电采集

脑电的测量采用单导联方式，以耳垂为零电位点，将活动电极放置于头皮上来采集脑电信号。脑电采集和心电采集的方案基本相同，只不过滤波电路由0.5 Hz的高通和40 Hz的低通滤波器组成的带通滤波器与抑制强工频干扰的陷波器构成。经过处理的信号再由nRF9E5无线发送给MSP430单片机。

图4 体温采集电路

2.4 无线通信模块

无线通信采用nRF9E5，nRF9E5是Nordic VLSI公司2004年推出的无线单片机芯片，内置nRF905收发器，工作电压为1.9～3.6 V，32引脚DFQ封装，工作频率为433 MHz868 MHz915 MHz，工作方式为 ShockBurst，最大发射功率为10 dB·m，速率 100 kbs［4］。通信时只需通过 SPI就可完成所有的收发传输。为了实现节能，可通过程序控制收发器处于空闲或关机模式。经实际测量，在室内有墙壁阻隔、无剧烈运动的情况下，有效传输距离可达30 m以上，所以使用者可以在一定范围内自由活动，传输时的丢包率小于0.0001保证了采集数据不丢失。

2.5 MSP430

MSP430F169为16位RISC架构，最高运算速度8MIPS的超低功耗单芯片微控制器，是业界专为低功耗应用需求所设计的微控制器［5］。广泛应用于可携式产品应用。它拥有丰富的IO口和外设资源，自带 ADC，60K+256B 的 Flash，2KB 的 RAM，可通过JTAG编程与调试接口下载程序进行在线调试。采用MSP430作为系统的控制核心不仅可满足简化电路的需求，也可满足低功耗的需求。

MSP430和nRF9E5通过标准的SPI口进行通信，SPI口由4线组成，分别是 CS(片选)CLK(时钟)MISO(数据输入)MOSI(数据输出)。nRF9E5的所有配置都通过SPI口进行，每次操作SPI口首先使CS置0，操作完成后CS置1便于下次操作。MSP430与nRF9E5接口如图5所示。

图5 MSP430与nRF9E5接口

2.6 供电电源设计

为了给在信号的采集调理、传输、处理和显示等电路提供其需要多个不同的稳定电压，本系统采用如下电路进行供电。其中SPX1117为一个低功耗正向电压调节器，具有较低的静态电流，非常适合便携式电子仪器的应用，如图6所示。

图6 电源电路

3 软件设计

基于nRF9E5的无线生理参数采集系统软件设计分为无线通信、AD转换及相关换数据处理、实时显示等。

3.1 无线传输

nRF9E5每次发送接收数据都是以数据包的方式来进行，数据包由前导码、地址码、有效数据和CRC校验四个部分构成。无线收发主机模块和各个生理参数从机模块的无线接收程序采用数据就绪(DR)中断响应模式。主从机的无线发送程序完全相同，采用函数模块编写，直接调用即可。

主模块nRF9E5主要完成的任务:

(1)接收任务:每300ms发送同步信号，等待节点反馈并把有效数据送给上位机。

(2)发送任务:上位机的命令数据发给节点。

从模块首先判断1s内是否收到同步信号，收到后再判断ID是否为0，ID=0，从模块延时1s后发采集数据给主模块，否则从模块接收数据。图7为上位机流程图，图8为节点模块流程图。

3.2 A/D 转换

AD转换采用MSP430内部自带的12位精度的AD转换模块ADC12，参考电压采用2.5V外部电压。信号由P6.0口输入。由SHI信号上升沿触发采样定时器。采用单通道重复转换模式，流程图如图9所示。

图7 上位机流程图

图8 节点模块流程图

图9 AD转换流程图

3.3 实时显示

本系统使用的是HG19264图形液晶显示模块。写入数据时首先判断液晶芯片是否空闲，空闲则写入;可以通过写入编码值自行判断全角汉字和半角字符。为保证显示的及时性和连续性，又不能超出单片机速度限制和程序容量，波形曲线采用逐点画直线的方法实现。程序流程如图10所示。

图10 实时显示流程图

4 结语

本系统经过联合调试，可以顺利地进行数据的采集、处理和显示等，实现了多种生理参数的检测分析和显示，测试结果表明各个模块工作正常，测量数据快速准确，达到了预想的研究目的，具有一定的推广价值。

基于nRF9E5的无线生理参数采集系统，根据人体生理信号的特征和检测要求，结合无线射频技术，实现了多种生理参数的检测、分析和显示。该系统体积小、功耗低、使用方便。可用于家庭或户外，方便医务人员及非专业人员在监护室外不同环境下的使用，有助于疾病的预防和诊断。

［1］Keng Siau.Health care informatics.IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine，2003，7:1 －7.

［2］Low Cost，Low Power Instrumentation Amplifier AD620.Analog Device Corporation.2005.

［3］郭四稳，古乐野.多通道大容量高速数据采集系统［J］.四川大学学报:自然科学版，2001，38(1):29－32.

［4］张业茂，张建功等.基于nRF905模块的无线通信直流电场测量系统设计［J］.高压电技术，2012，38(11):2869－2874.

［5］邱宏，李炜等.基于MPS430单片机的便携式无线多路采集系统［J］.华中科技大学学报:自然科学版，2011，39(2):433－436.

［6］邓亲恺.现代医学仪器设计原理［M］.北京:科学出版社，2004.