引言

　　針對某醫(yī)療裝置中的人體生理信號采集和傳輸問題,，本文設(shè)計了計算機(jī)近距離無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用 Nodic公司的nRF2401作為無線收發(fā)核心器件,。系統(tǒng)由一臺PC,、無線數(shù)據(jù)接收模塊和無線數(shù)據(jù)采集發(fā)射模塊組成。無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊以C8051F021單片機(jī)為處理核心,，采用單片機(jī)內(nèi)部的12位ADC對現(xiàn)場的模擬信號進(jìn)行采集和發(fā)送,；無線數(shù)據(jù)接收模塊以C8051F021單片機(jī)作為處理核心,，接收與發(fā)射模塊由nRF2401無線收發(fā)芯片完成，采用MAX5591實(shí)現(xiàn)12位D/A轉(zhuǎn)換,，采用 RS-485總線與PC進(jìn)行通信,，它負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的接收和初步處理，并轉(zhuǎn)發(fā)給PC以供顯示和監(jiān)控,，同時將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量,，供示波器顯示；PC有良好的人機(jī)界面,，利用NI的虛擬示波器顯示遠(yuǎn)端現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù),，并可以向現(xiàn)場的采集模塊發(fā)送控制命令，同時可以實(shí)現(xiàn)保存采集數(shù)據(jù),、打印,、回放歷史數(shù)據(jù)等功能。

　　系統(tǒng)分析及設(shè)計

　　計算機(jī)短距離無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成如圖1所示,。



圖 1 系統(tǒng)組成框圖

　　系統(tǒng)分析及硬件設(shè)計

　　由于現(xiàn)場要采集的數(shù)據(jù)為醫(yī)學(xué)人體實(shí)驗數(shù)據(jù),，幅值大約在-1.0V~+1.0V之間，頻率為300Hz,，要求測量誤差低于10mV,，C8051F021自帶的12位ADC在精度上可以滿足要求；但是單片機(jī)中的ADC要求輸入為正電壓,，同時考慮到轉(zhuǎn)換精度要求,，故需要對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將原信號轉(zhuǎn)換為幅值在0～3V,、頻率300Hz左右的信號,。可以利用MAX4194組成信號轉(zhuǎn)換電路,，將模擬信號的零參考電平抬升到1.0V,。這樣，原先-1.0V~0V之間的電壓信號轉(zhuǎn)換為0~1.0V之間的電壓,，而原先0V~1.0V之間的電壓轉(zhuǎn)換為1.0V~2.0V之間的電壓,。這樣就完成了原始信號的轉(zhuǎn)換，適應(yīng)了單片機(jī)的輸入要求,。單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換參考電壓選擇外部3.3V，由MAX6013提供,。

　　考慮到無線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收特點(diǎn),，故選用Nordic 公司的nRF2401芯片。nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片,，工作于2.4GHz~2.5GHz ISM頻段,，芯片內(nèi)置頻率合成器,、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊,，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置,。芯片功耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時,，工作電流只有10.5mA,，接收時工作電流只有18mA。其獨(dú)有的DuoCeiver技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線,，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù),。nRF2401使用跳頻技術(shù)，在2400MHz~2527MHz之間設(shè)立了128個頻道(每個頻道帶寬1MHz),，頻道間的切換時間小于200ms,。此外，nRF2401內(nèi)置CRC編解碼模塊,，可以在不增加編程難度的條件下減小誤碼率,。

　　無線數(shù)據(jù)接收后，要進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,，供示波器觀看,；考慮到數(shù)據(jù)的采集精度要求，故采用了 MAX5591作為轉(zhuǎn)換器件,，一方面可以方便地與C8051F021單片機(jī)SPI接口連接,，另一方面，它是12位DAC,，與采集端的ADC匹配,，可減小轉(zhuǎn)換誤差。

　　無線數(shù)據(jù)接收到終端后,，要求能直觀地觀看,，并且可以對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集次數(shù)、采集啟停時間進(jìn)行控制,，故需要將數(shù)據(jù)傳到PC,，進(jìn)行顯示；同時,，通過人機(jī)界面,，對現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。PC采用VC++編寫程序,，利用NI 的虛擬示波器和其它控件實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面,，數(shù)據(jù)顯示、存儲和打印功能。

　　系統(tǒng)中的主要軟件模塊

　　系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成,。

　　上位機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)通信,、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲,、數(shù)據(jù)回放,、打印等功能。下位機(jī)的主要功能有：系統(tǒng)初始化,、數(shù)據(jù)采集(A/D轉(zhuǎn)換),、無線數(shù)據(jù)發(fā)射、無線數(shù)據(jù)接收,、數(shù)據(jù)D/A轉(zhuǎn)換,、與PC串口通信等。下面重點(diǎn)介紹下位機(jī)的無線發(fā)射與接收部分軟件,。

　　無線數(shù)據(jù)收發(fā)主要通過對nRF2401進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn),，包括器件配置、發(fā)送數(shù)據(jù),、接收數(shù)據(jù)等,。nRF2401的工作模式通過引腳PWR_UP、CE和CS選擇,。在RX/TX模式下,，有兩種工作方式：ShockBurs和Direct Mode。本系統(tǒng)選用了ShockBurst模式,，這種模式下需要配置的內(nèi)容有：接收數(shù)據(jù)長度,、接收通道地址、CRC校驗,、工作方式,、發(fā)送頻率、傳送速率,、接收與發(fā)送等,。需要15字節(jié)的配置內(nèi)容，下面給出了16進(jìn)制的配置內(nèi)容：0x80,0x80,0x00,0xcc,0xcc,0xcc,0x00,0xcd,0xcd,0xcd,0xcd,0x83,0x4f,0x05,。

　　難點(diǎn)分析及解決方法

　　nRF2401半雙工通信方式與C8051全雙工通信接口的轉(zhuǎn)換

　　在數(shù)據(jù)的采集端,，單片機(jī)與射頻模塊是雙向通信，可以直接采用單片機(jī)自帶的SPI 接口與射頻模塊單向通信,，包括配置射頻模塊的工作方式,、接收通道地址、接收數(shù)據(jù)長度,、接收頻率,、發(fā)送功率等參數(shù)和要發(fā)送的采集數(shù)據(jù),；當(dāng)單片機(jī)要讀取遠(yuǎn)端發(fā)送的控制命令時,，要將SPI模式關(guān)閉,，同時將MOSI、DR1端口定義為輸入方式,，然后將射頻模塊接收的控制命令讀到單片機(jī)內(nèi)部,，并根據(jù)控制命令進(jìn)行相應(yīng)的操作，如采集通道選擇,、采集次數(shù)設(shè)定,、開始采集、停止采集,、發(fā)送數(shù)據(jù)等,。



表1 實(shí)驗數(shù)據(jù)表

　　在接收端，單片機(jī)和射頻模塊之間也是雙向通信,，單片機(jī)首先關(guān)閉SPI 模式,，將MISO定義為輸入模式，通過模擬的SPI 操作,，對射頻模塊進(jìn)行配置,；當(dāng)有控制命令要發(fā)送時，仍將MISO端口定義為輸出模式,，將射頻模塊配置為發(fā)送模式,，將控制命令發(fā)送到數(shù)據(jù)采集終端；當(dāng)要接收采集終端傳來的數(shù)據(jù)時,，首先將射頻模塊配置為接收模式,，然后打開SPI 功能，利用單片機(jī)的SPI接口,，將數(shù)據(jù)讀到單片機(jī)內(nèi)部,。

　　這樣，就完成了射頻模塊的半雙工通信接口與單片機(jī)全雙工通信接口的轉(zhuǎn)換,。

　　單片機(jī)與MAX5591之間的SPI接口通信

　　C8051單片機(jī)的SPI 操作時序不能滿足MAX5591的時序要求,。要使單片機(jī)和MAX5591之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須根據(jù)MAX5591的時序要求將單片機(jī)的SPI時序進(jìn)行轉(zhuǎn)換,。

　　實(shí)驗結(jié)果及分析總結(jié)

　　實(shí)驗結(jié)果

　　現(xiàn)場模擬電壓信號通過12位ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,，通過無線方式傳送到遠(yuǎn)端監(jiān)控室，一方面通過DAC轉(zhuǎn)換為模擬量,，供示波器觀看,；另一方面，通過RS-232傳送到PC進(jìn)行顯示,、存儲和打印,。表1是實(shí)驗數(shù)據(jù),。

　　分析總結(jié)

　　從試驗數(shù)據(jù)可以看到，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場模擬電壓信號的采集,、無線傳輸以及模擬信號還原,，誤差不大于0.2%，滿足了設(shè)計要求,。同時系統(tǒng)還存在著不足之處：在數(shù)據(jù)量加大,，傳輸速率為1MHz時，偶爾會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象,；當(dāng)被測信號頻率大于500Hz的時候,，信號復(fù)現(xiàn)時會出現(xiàn)波形失真。

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)端現(xiàn)場采集8路人體生理信號,，無線傳送到監(jiān)控中心并復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場信號的功能,。實(shí)驗證明，系統(tǒng)在250Kbps速率下無線傳輸距離可達(dá)50米,，采集信號誤差低于0.5% ,。數(shù)據(jù)傳輸中采用了16位CRC校驗，降低了誤碼率,。該系統(tǒng)已經(jīng)在某醫(yī)療器械上得到應(yīng)用,。經(jīng)改造，系統(tǒng)可以采集現(xiàn)場的數(shù)字量和一些開關(guān)量,，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和開關(guān)量控制等,。

　　結(jié)語

　　本文采用軟件切換的方式實(shí)現(xiàn)了半雙工器件與全雙工器件的通訊轉(zhuǎn)換，采用軟件模擬SPI操作,，解決了多SPI器件之間的通信協(xié)議匹配問題,。