基于C8051F021远程诊断与急救支援系统设计

1.2.2 心电部分

心电信号经过前置放大和第二级放大后送入C8051F021自带的A/D转换器进行采样。

C8051F021片内集成了两个多通道ADC子系统(每个子系统包括一个可编程增益放大器和一个模拟多路选择器)。选用ADC0将心电信号进行A/D转换。ADC0子系统包括：一个9通道的可配置模拟多路开关(AMUX0)、一个可编程增益放大器(PGA0)和一个100ksps的12位分辨率的逐次逼进寄存器型ADC，ADC中还集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。所有这些特性完全由CIP-51通过特殊功能寄存器控制。心电信号采样的设置如下：(1)置AMUX0配置寄器AMX0CF=0x00;使AIN0～AIN7为独立的单端输入。(2)置AMUX0通道选择寄存器AMX0SL=0x00;选择AIN0为ADC0的模拟输入，即采集的心电信号从AIN0模拟通道输入C8051F021。(3)置ADC0配置寄存器ADC0CF=0x48;使ACD0采样/保持放大器获取输入的模拟信号的周期数为1/10个系统时钟，内部放大器增益为1。(4)置ADC0控制寄存器ADC0CN.0=0;使ADC0H和ADC0L寄存器数据右对齐;ADC0CN.7=1;ADC处于活动状态，并准备转换数据。(5)置EIE2.1=1;ADC0转换中断允许。

1.2.3 血压模块

血压模块与微控制器之间采用高速串行的通信方式，血压模块的工作状态、测量结果通过两个功能引脚输出，供微控制器处理。这两个功能引脚连接到C8051F021的两个I/O口，其中输出的串行时钟线连到I/O口P1.2，输出的串行数据线连到I/O口P1.3。若在一个时钟周期内数据线上出现一个电压由高到低的跳变，则开始接收数据。

输出的数据格式如图2所示。开始处的电压跳变如图3所示。开始表示在此后的16个时钟信号内将传送16位的数据，其高4位的数据表示数据类型，不同的编码表示不同的数据，如舒张压、收缩压和心率分别有各自的代码，如表1所示;而低12位数据则表示具体的数值，对应前面的数据类型可以得到收缩压、舒张压和心率的数据。

表1 高速串行通信数据帧16位数据定义

1.2.4 血氧模块

血氧模块通过RS232串行接口传输测量结果，本系统选用C8051F021的UARTl与血氧模块进行数据交换，而将UART0分配给无线收发模块。

首先，主微控制器C8051F021通过设置优先交叉开关译码器XBR0、XBRl和XBR2的值完成数字资源的动态分配。优先权交叉开关译码器可以按优先权顺序将P0～P3口的引脚分配给器件上的数字外设(UART、SM-Bus、ICA、定时器等)。

其次，要实现C8051F021与血氧模块的通信，需完成以下寄存器的配置：(1)初始化交叉开关配置寄存器XBR2，初始值为0x44;分别使能交叉开关和UARTl;(2)初始化端口0输出方式寄存器P0MDOUT，初始值为0x05;将P0.2和P0.3分别分配给TXl和RXl;(3)完成UARTl工作模式和波特率的设置。血氧模块的串口工作在模式1、波特率为9600bps，采用定时器2完成UABTl对应波特率的设置。

1.2.5 生理参数的传输

为了方便患者携带和医生使用，选用无线收发芯片nRF401完成生理参数的无线传输。单片收发芯片nRF401片内集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调以及多频道切换等功能模块。它工作在ISM国际公用频段，最大能以20kbps的速度进行无线数据传输。微控制器只需对nRF401进行简单的控制就可以通过串口完成数据的收发，nRF401与C8051F021构成的无线通信系统如图4所示。

C8051F021的UART0的设置与UARTl的设置相似，首先初始化交叉开关寄存器XBR0=0x04、XBR2=0x40;分别使能UART0和交叉开关;再初始化特殊功能寄存器P0MDOUT=0x01;将P0.0和P0.1分别分配给TXl和RX1;因为UART0有最高优先权，当UART0EN设置为1时，P0.0和P0.1总是分配给TXl和BXl;最后完成UART0工作模式和波特率的设置。

为了将采集到的生理参数发送给接收系统，在发送数据之前，芯片首先上电工作(即PWR_UP=1)，然后选择数据传输通道。nRF401有两个传输通道可供选择：通道l(433.92MHz)和通道2(434.33MHz)。将TXEN引脚置为高电平(发送模式)，nRF401就能通过微控制器的串口发送数据。

2 系统软件的设计

系统软件主要完成以C8051F021为核心的生理参数的采集和无线发送。由于要处理多个不同的模块，在实现过程中采用了巡回检测的方法。在数据传送过程中，设置了一个生理信息包协议，在采集系统和无线发送模块之间，定义通信协议包如表2所示。串口对连续接收的2个字节的数据依据协议规则重新装配。由于生理数据(心电、血压、体温等)一般不超过12位，采集系统将它们分别拆为低7位和高5位进行传输。其中，高位的第一位为高位数据标识，设为0;低8位的第一位为低位数据标识，设为1。

表2 串口通信协议包

表3 各参数的具体识别方式

为了识别不同的生理参数，对不同生理信号设置不同的信号标识进行相应的帧编码。对心电数据采用高8位的B6B5识别，其它的各类数据采用高8位的B6B5B4B3识别，各参数的具体识别方式如表3所示。编码后的数据经微控制器的UART0与nRF401实现无线发送。微控制器的UART0设置为工作模式1，波特率为9600bps。

系统软件采用模块化编程方法，根据功能将该系统程序分为六个基本模块：系统初始化模块(包括C8051F021微控制器I/O口设置、寄存器及变量的定义)、体温模块、心电模块、血压模块、血氧模块和无线传输模块。系统软件的流程如图5所示。