个人状态远程监视及语音通讯系统研究

只看该作者 · 2012-4-7 21:07

摘要：本文以TI公司MSP430系列的单片机为核心，提出了个人状态远程监视及语音通讯系统方案。该系统能采集个人的心率、血压和体温等生命信息，并实现对象间的无线语音通讯。
引言
个人状态远程监视是指及时地对战场中的士兵或执行危险任务（如反恐）的警察等时刻具有生命危险的人员进行远程生理监护。系统由多台分机和若干台主机构成，各分机能独立采集作战人员的心率、血压和体温等生命信息，并由无线通信送给主机。救护小组根据主机中得到的信息对受伤人员进行及时的救治。另外，实现各对象间的语音通讯对于提高战斗力也是必不可少的。类似的设备亦可用于危重病人监护，以减轻医生负担。因此，该系统具有较大实用价值。

系统组成及工作原理
系统是由分机和主机构成。分机能够采集人体的生命信息，并经无线通讯传送给主机。主机接收生命信息数据，并将其显现在LCD显示屏上。不管是分机还是主机，设备之间均能实现语音通讯。考虑到战场通讯要求可靠性高，抗干扰能力强，并应具有保密性的特点，我们选用无线扩频通讯技术。近些年来，微处理器和大规模集成电路的迅猛发展使得无线扩频通讯成本迅速下降。综上所述，分机的硬件连接框图如图1。主机结构同分机相似，只需去掉生命信息采集部分，改为LCD显示即可。

TI公司近年来推出的MSP430系列单片机，是一款优秀的16位RISC结构微处理器，其指令周期短，具有多种省电模式，集成的A/D转换器，以及性价比高等众多优点越来越受到广大使用者的青睐。再加上它超低功耗特点，很适合作为本系统的核心微控制器。具体型号定为MSP430F149,它带有60KB闪存，12位的A/D转换器和硬件乘法器。另外，我们选择了TRF6900单片射频收发器来完成双向无线传输。该产品也是TI公司生产，其内部集成了完整的发射电路和接收电路，供电电压为2.2V-3.6V，并具有低功耗的待机模式。Stel-2000A是数字扩频芯片，完成扩频解扩功能。语音编解码芯片选用CMX639,这是一种CVSD(Continual Variable Slope Delta Modulation 连接可变斜率增量调制)芯片，即可实现语音编码，也有解码功能，且连接使用方便。

单片机MSP430F149定时采集心率、血压和体温等信息，并将数据编排成一定的帧格式，交给Stel-2000A扩频后由射频收发器TRF6900发出。语音的输入与输出由按键控制。一般情况下，设备处于语音接收状态，即单片机读取来自TRF6900并已解扩的数据，送给语音解码芯片CMX639。当键被按下时，麦克风处于受话状态，CMX639把麦克风输出的数据编码，MSP430读取该编码数据，处理后送给无线扩频通讯部分。

                     图1分机硬件连接框图

生命信息的测量
传统的人体血压测量采用汞柱式血压计，该方法显然不适用于本系统。目前，松下和欧姆龙公司都已研制成功腕式血压计。该产品体积小巧，使用方便，只须将戴在手腕上，我们即可读出自己的血压。有的腕式血压计同样有测量心率的功能。因此，在系统方案中，将腕式血压计改装，作为向MSP430单片机传送血压和心率数据的传感器。应该注意的是，心率是指心脏每分钟的跳动次数，如果我们在测量心率时，是先测量一段时间内的跳动次数，再换算成一分钟的数值，那么这个心率数值由于变化缓慢，不能及时反映人体心率的变化。因此，较好的方法是测量心率的周期，并由周期/频率转换程序得到结果。

体温测量可以使用晶体震荡法或热敏电阻法。MSP430F149单片机自身带有A/D转换器，为了使外围线路简化，选用热敏电阻法。电阻电桥输出的电压放大后直接送入MSP430F149进行A/D转换。为了尽可能提高体温测量的准确性，测量范围应设定在30度到45度为宜。热敏电阻应和人体紧密接触，所以包括前面测量血压的袖套及测脉搏的压电传感器均可固定在紧身内衣上，以方便使用。

                     图2 CMX639和单片机连接图

语音输入/输出的实现
语音通讯功能是本系统的重要组成部分。CVSD芯片CMX639是实现语音输入/输出的关键器件，其特点是抗干扰能力强。它和单片机的连接关系如图2所示。系统内有CVSD程序，其作用是在一般情况下将射频接收区的数据全部匀速的送给CMX639解码输入（DECODER INPUT）管脚。CMX639执行一定的解码算法后送给扬声器。当键被按下，麦克风输出的信号由编码输入（ENCODER INPUT）管脚进入CMX639芯片，由其编码后，数据被MSP430读入。单片机中有相应的存储区作为射频数据区。通讯部分进出该数据区与CVSD进出该数据区在速率上应保持一致。

扩频通讯部分的设计
扩频通讯是由数字扩频模块与射频收发器TRF6900在单片机的控制下实现的。Stel-2000A须外接晶振。图3给出了单片机、SS TRANCEIVER和TRF900的连接。图中SS TRANCEIVER主要是Stel-2000A和两路A/D转换器。A/D转换器完成信号正交分路后的I和Q支路的模数变换，具体连接可详细参考文献[4]。

            图3 MSP430微控制器、扩频芯片与射频收发器连接图


               图4 TRF6900内部结构
系统启动后，单片机首先对TRF6900和Stel-2000A进行编程配置。TRF6900的CLOCK、DATA、STROBE管脚是编程用单向串行总线，见图4的TRF6900内部结构框图。直接数字合成器（DDS）中有24位移位寄存器，MSP430给TRF6900配置时向其CLOCK端脚输入串行控制脉冲，同时把控制数据置于DATA上写入DDS的24位移位寄存器当中。若STROBE为高电平，则单片机对射频收发器进行DDS模式、调制器以及PLL等的设置。设置完成后通讯部分开始工作，各芯片都在单片机的控制作用下互相配合，完成通信数据的收发。

               图5 主机系统流程图

软件设计
系统启动后先初始化，在各模块的配置完成后，MSP430开始读取生命信息的输入并处理，在一定的控制信号下送给Stel-2000A，扩频后由TRF6900发送出去。心率、血压和体温的采集和发送每隔一段时间进行一次，间隔时间可以设为20秒，具体可由单片机内部定时器触发的中断程序中进行。一般情况键未按下，表示设备处于接收状态，则单片机控制TRF6900和Stel-2000A接收数据。分机接收到的数据一定为语音信号，由单片机送给CMX639解码。主机应根据接收到数据的有关标志，判定是生命信息还是语音信号。前者由LCD显示出来，后者经CMX639解码送入扬声器。当键被按下时，设备进行语音的输入和发送，此时暂停对生命信息的采集，具体过程如前所述。图5和图6是分机和主机的系统流程框图。

结语
本文介绍了个人状态远程监视及语音通讯系统合理的设计方案。必要情况下，分机最好能够向主机报告自身位置信息，具体可使用GSP定位。另一方面，嵌入式实时操作系统是目前发展的一大趋势，若将其引入将能大大提高无线网络通讯的可靠性和实时性。

               图6 主机系统流程框图