【正文】 1/Q216M晶振時(shí)鐘輸入腳CC2420 內(nèi)部集成了33個(gè)16 位配置寄存器，15個(gè)命令選通寄存器，128 字節(jié)的發(fā)送和接收緩沖區(qū)，以及速度高達(dá)10Mbit的SPI 接口等。簡(jiǎn)單的外圍電路和處理器接口，使得CC2420可以運(yùn)用在非常廉價(jià)的設(shè)備上。CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線和16 GHz頻段上工作。CC2420與微控制器的4線SPI通信接口，配置方便。它采用OQPSK調(diào)制方式，具有94 dB接收靈敏度，抗鄰道干擾能力強(qiáng)(39 dB)，內(nèi)部集成有VCO、LNA、PA以及低電壓供電(~ V)。芯片硬件支持CSMA/CA功能， ，數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbps，碼片速率達(dá)2 Mchip/s，傳輸距離最大200米。(5)可以利用匯編語(yǔ)言或C 語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可以兩種語(yǔ)言結(jié)合設(shè)計(jì)程序，大大的提高軟件開發(fā)的工作效率，能夠合理的優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，提高程序的可靠性、可讀性和可移植性。片內(nèi)有1kbyteRAM，32kbyte Flash Memory。(2)超低功耗： V， V，在1 MHz時(shí)鐘工作時(shí)，工作電流只有250 uA；在不同的工作狀態(tài)下可選用不同的晶振，進(jìn)一步降低功耗。MSP430的性能特點(diǎn)：(1)強(qiáng)大處理能力：MSP430為16 位RISC 結(jié)構(gòu)的CPU，其指令有豐富的尋址方式，但只需要簡(jiǎn)潔的27 條基本指令。本系統(tǒng)中微處理器起著重要作用，一方面微處理器控制前端數(shù)據(jù)采集及處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，另一方面無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸及中央控制單元都離不開微處理器的協(xié)同工作。本文是以MSP430 單片機(jī)為核心及外圍電路母板和以CC2420 為核心的模塊設(shè)計(jì)。采用MSP430為控制器的原因是其在低功耗省電方面表現(xiàn)出色，并且在惡劣條件下工作性能穩(wěn)定。提供數(shù)據(jù)鏈路層傳輸服務(wù)和管理服務(wù)。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中心的正確收發(fā)，后者從事MAC層的管理活動(dòng)，并維護(hù)一個(gè)信息數(shù)據(jù)庫(kù)。管理服務(wù)包括信道能量監(jiān)測(cè)(ED)，鏈接質(zhì)量指示(LQI)和空閑信道評(píng)估(CCA)等。物理層相對(duì)簡(jiǎn)單，主要是在驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和管理。物理層物理層定義了無(wú)線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。 協(xié)議 (OSI)，每一層都實(shí)現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。在這種網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器一般使用電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到無(wú)線信道的這個(gè)點(diǎn)。FFD一般需要功能相對(duì)比較強(qiáng)大的MCU，一般在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中用作于網(wǎng)絡(luò)控制和管理功能。FFD之間以及FFD和RFD之間都可以相互通信，但RFD只能與FFD通信，而不能與其他RFD通信。ZigBee協(xié)調(diào)器的NWK層還負(fù)責(zé)啟動(dòng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，給新的關(guān)聯(lián)設(shè)備分配地址。網(wǎng)絡(luò)層的主要職責(zé)包括提供設(shè)備用來加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制，提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩珯C(jī)制和路由機(jī)制。其中低頻段物理層覆蓋了868 MHz的歐洲頻段和915 MHz的美國(guó)與澳大利亞等國(guó)的頻段，高頻段則全球通用。 GHz頻帶提供的數(shù)據(jù)速率為250 kbps, 915 MHz頻帶提供的數(shù)據(jù)速率為40 kbps，而868MHz頻帶提供的數(shù)據(jù)速率為20 kbps。例如： GHz頻帶總共提供16個(gè)信道(信道1126)、915 MHz頻帶提供10個(gè)信道(信道110)，而868 MHz頻帶提供1個(gè)信道(信道0)。(ISM)頻段，定義了兩個(gè)物理層(PHY)，分別工作在3個(gè)工作頻帶： GHz、915 MHz和868 MHz。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了“物理層”，(Physical Layer，PHY)和“介質(zhì)訪問層”(Medium Access Layer，MAC)。這些設(shè)備必須屬于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)[16]。MCPSSAP 是由MAC層提供給NWK層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口；MLMESAP是MAC層提供給NWK層的管理服務(wù)接口。也就是說NLDESAP實(shí)現(xiàn)兩個(gè)APL層之間的數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee規(guī)范定義的NWK層協(xié)議，提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)(NLDE)和管理服務(wù)(NLME)。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是通過正確操作鏈路層提供的功能來向應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。同時(shí)，NLME利用NLDE來完成一些管理任務(wù)，同時(shí)它負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)庫(kù)(NIB)。網(wǎng)絡(luò)層為應(yīng)用層提供了兩種服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)實(shí)體(NLDE)和管理實(shí)體(NLME)的接口。MAC層可以采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低并且采用了休眠模式，ZigBee技術(shù)可以確保用兩節(jié)五號(hào)電池支持節(jié)點(diǎn)工作長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的時(shí)間。節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以是全功能設(shè)備(FFD)或精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，許多本來存在的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)逐漸走向成熟。PAN協(xié)調(diào)器和協(xié)調(diào)器按周期發(fā)出信標(biāo)幀(Beacon Frame)，PAN協(xié)調(diào)器必須是全功能設(shè)備(FFD)。在這個(gè)空間內(nèi)，他有能力允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并分配短地址。它是網(wǎng)絡(luò)建立的起點(diǎn)，負(fù)責(zé)PAN網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定PAN的ID號(hào)和PAN操作的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配。在WPAN中有三種網(wǎng)絡(luò)角色：PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器和設(shè)備，這三種角色在ZigBee規(guī)范中分別對(duì)應(yīng)ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和設(shè)備。ZigBee聯(lián)盟已于2005年6月27日公布了第一份ZigBee規(guī)范“ZigBee ”。該聯(lián)盟致力于近距離、低速率，低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 ZigBee協(xié)議概述 隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們提出了在自身附近幾米范圍內(nèi)通信的要求，這樣就出現(xiàn)了個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Personal Area Network，PAN)和無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Personal Area Network WPAN)的概念。ZigBee技術(shù)并不是完全獨(dú)有的全新標(biāo)準(zhǔn)，它的物理層、(無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng))協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和發(fā)展。與其他無(wú)線協(xié)議相比，ZigBee無(wú)線協(xié)議實(shí)現(xiàn)了低復(fù)雜性和減縮資源的要求，并且提供了一組標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。第3章 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì) 第3章 無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì) 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 2000年12月IEEE(美國(guó)電氣與電子工程師學(xué)會(huì))，致力于定義一種適用于固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的復(fù)雜度低、成本低和功耗低的低速率無(wú)線連接技術(shù)—ZigBee技術(shù)。R1是用來調(diào)整電橋靈敏度的。經(jīng)過電橋又將這一變化轉(zhuǎn)化成與呼吸周期同步的電壓信號(hào)，經(jīng)放大給后期的處理電路。測(cè)量電路圖如圖224所示。呼吸信號(hào)不僅僅局限于呼吸頻率、呼吸節(jié)律、動(dòng)脈血?dú)庖约捌胀ㄐ仄瘸Ｒ?guī)項(xiàng)目，更受到重視的是，能確切反映患者通氣/氧合狀況并能指導(dǎo)機(jī)械通氣治療參數(shù)調(diào)節(jié)和臨床用藥的指標(biāo)。通過呼吸，人體不斷地從外界環(huán)境攝取氧，以氧化體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，供應(yīng)能量和維持體溫；同時(shí)將氧化過程中產(chǎn)生的CO2排出體外，以免CO2過多擾亂人體機(jī)能，從而保證新陳代謝的正常進(jìn)行。該信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，并根據(jù)放氣過程中脈搏波的振幅變化確定平均壓，再確定收縮壓和舒張壓，測(cè)試結(jié)果超出報(bào)警限度時(shí)，由揚(yáng)聲器發(fā)出聲報(bào)警。袖套內(nèi)的壓力是靜壓和脈搏波信號(hào)的疊加，壓力傳感器把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后送放大器，輸出端電壓在05 V之間。氣泵電路如圖223所示。該模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖222所示。它能同時(shí)檢測(cè)出收縮壓、舒張壓、平均動(dòng)脈壓和脈率。 血壓模塊的電路設(shè)計(jì)目前，可用于構(gòu)成無(wú)創(chuàng)自動(dòng)血壓測(cè)量的方法有好幾種，如柯氏音法、測(cè)振法和光電法等。正常情況下成人的收縮壓為90～130mmHg，舒張壓為60～90mmHg，脈壓差為30～40 mmHg，平均壓為舒張壓+1/3(收縮壓舒張壓)：血壓過低或過高都是疾病的征象。舒張壓則主要與血流阻力，特別是與小動(dòng)脈口徑有關(guān)。正常人在運(yùn)動(dòng)和情緒激動(dòng)時(shí)血壓會(huì)有一定限度的升高。當(dāng)心室收縮向動(dòng)脈泵血時(shí)，血壓升高，其最高值為收縮壓。為此，心臟將反復(fù)地收縮和舒張，這時(shí)從心臟送出的血液的壓力即為“血壓”。綜合考慮系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)要求，這里R1=51K，C=，截至頻率為312Hz。圖221光敏二極管的電壓電流轉(zhuǎn)換電路電容C的作用是改變相移、防止自激，同時(shí)R和C又形成低通濾波器，抑制高頻干擾。光敏二極管受光照產(chǎn)生的光生電流I與普通二極管的電流方向相反，I與受光光強(qiáng)的變化成正比，光敏管工作在零偏狀態(tài)下。電壓電流轉(zhuǎn)換電路光敏二極管的特性是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流，而隨后的A/D轉(zhuǎn)換電路是以電壓為檢測(cè)對(duì)象。根據(jù)朗伯－比爾定律，當(dāng)紅光和紅外光通過手指尖時(shí)，由于心臟搏動(dòng)引起血管舒張，光程路徑d 產(chǎn)生一個(gè)Δd 的變化量從而引起紅光和紅外光的透射光I 產(chǎn)生一個(gè)ΔI 的變化，所以它們吸光度的變化量ΔD為： (220)考慮到透射光中交流成分占直流量的百分比遠(yuǎn)小于1，則 (221)設(shè)DD2分別是波長(zhǎng)為λλ2的光通過物質(zhì)時(shí)的吸光度，Cj（j=1,2）為物質(zhì)的濃度，εji表示物質(zhì)j對(duì)于λi的吸收系數(shù)，當(dāng)ε22=ε21時(shí)有 (222)將式（221）代入（222）得： (223)該模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖219所示。血氧飽和度的測(cè)量是以朗伯－比爾定律和光散射理論為基礎(chǔ)的，透過一定濃度溶液的透射光的強(qiáng)度和入射光的強(qiáng)度關(guān)系如下： (218)或 (219)其中：Io、I分別表示發(fā)射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)，c表示某物質(zhì)溶液的濃度，d表示光穿過溶液的路徑長(zhǎng)度，ε表示某物質(zhì)的光吸收系數(shù)，D稱為吸光度，顯然只要測(cè)出入射光強(qiáng)Io和投射光強(qiáng)I就能方便的得出物質(zhì)濃度c。皮膚中的動(dòng)脈血?jiǎng)t在心循環(huán)中呈周期性脈動(dòng)變化，心臟收縮時(shí)外周血容量最多，動(dòng)脈充盈，光吸收量最大，檢測(cè)到的光強(qiáng)度也最??；而心臟舒張時(shí)，正好相反，動(dòng)脈收縮，檢測(cè)到的光強(qiáng)度最大。在此過程中由于受到皮膚肌肉和血液的吸收衰減作用，監(jiān)測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng)度將減弱。血液的光學(xué)特性研究表明，在波長(zhǎng)為6001000nm的連續(xù)光譜中，HbO2和Hb的光吸收系數(shù)存在顯著的差異，如圖217所示。因此，監(jiān)測(cè)血氧飽和度可更加迅速而準(zhǔn)確地診斷低血氧癥。一般用血液中氧合血紅蛋白(HbO2)占總血紅蛋白的百分比來表示，即：血氧飽和度與氧分壓有著非常緊密的聯(lián)系。表示全身氧合狀況的參數(shù)主要有兩種:一為血氧飽和度，二為動(dòng)脈氧分壓。能否充分吸入氧氣，使動(dòng)脈血液中溶入足夠的氧，對(duì)維持生命是至關(guān)重要的。人體的血液通過心臟的收縮和舒張脈動(dòng)地流過肺部，一定含量的還原血紅蛋白(Hb)與從肺泡攝取的氧氣結(jié)合變成了氧合血紅蛋白(HbO2)，約98％的氧與血紅蛋白結(jié)合成氧合血紅蛋白(HbO2)后進(jìn)入組織。圖215 末級(jí)放大電路通過Electronics Workbench 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真曲線如圖216 所示。使其放大倍數(shù)與前置放大倍數(shù)相乘高于1000倍，才能達(dá)到A/D 轉(zhuǎn)換的要求。圖214 頻率響應(yīng)曲線末級(jí)放大電路 mV，而前置放大的增益又不能太大，若太大會(huì)使低頻和直流成分放大。同時(shí)，雙T型有源網(wǎng)絡(luò)的R3 和C3 沒有接地，而是接在輸出端的部分反饋上，適當(dāng)增加Q值，不會(huì)影響陷波的穩(wěn)定性,從而改善頻率的選擇性，能把50 Hz的工頻干擾抑制。陷波頻率。 圖213 雙T型的陷波電路雙T有源陷波器的帶阻特性主要取決于兩支路的R、C的對(duì)稱程度，它決定雙T陷波器的陷波點(diǎn)所能衰減到的最低限度。通過Electronics Workbench 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，濾波特性如圖212 所示。本設(shè)計(jì)中采用的是二階低通有源濾波器，具體電路如圖211 所示。 幅頻特性曲線 相頻特性曲線圖210 高通濾波特性圖低通濾波電路由于近年來電磁輻射干擾越來越嚴(yán)重，所以心電信號(hào)在采集過程中不僅有50 Hz 的工頻干擾和低頻、直流分量的干擾，還有高于100 Hz 高頻諧波的嚴(yán)重污染。圖29 高通濾波電路其傳遞函數(shù)為： （28）參數(shù)的計(jì)算公式為： （29） （210） （211）將數(shù)值代入計(jì)算可得，通帶截止頻率=，品質(zhì)因數(shù)Q=。為了抑制低頻和直流分量在電路中放大，本課題在進(jìn)入主放大前設(shè)計(jì)了一階高通濾波器， Hz。由于R0在Ucm大時(shí)必須起保護(hù)作用，所以其值較大。圖28 右腿驅(qū)動(dòng)電路的等效電路從圖27等效電路可以求出輔助放大器不飽和時(shí)的共模電壓。典型右腿驅(qū)動(dòng)電路原理電路如圖27所示。由AD620構(gòu)成的前置級(jí)放大電路帶右腿驅(qū)動(dòng)電路如圖26所示圖26 前置級(jí)放大電路帶右腿驅(qū)動(dòng)電路右腿驅(qū)動(dòng)電路右腿驅(qū)動(dòng)電路一般從前置級(jí)放大電路的增益調(diào)節(jié)電阻處提取反饋信號(hào)，并將反饋信號(hào)輸入反相放大器的負(fù)端，放大后接到人體右腿。圖24 AD620外觀圖 圖25 AD620內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖AD620的增益是通過1腳和8腳之間的電阻Rg來調(diào)節(jié)的，可在11000倍可調(diào)。所以心電信號(hào)前置放大電路使用了低噪聲、高輸入阻抗、高共模抑制比、高增益和抗干擾能力強(qiáng)的儀表運(yùn)算放大器AD620，以利于采集人體微弱的心電信號(hào)。選擇AA2的性能參數(shù)，使之彼此精確匹配，就可以充分發(fā)揮對(duì)稱電路誤差電壓互相抵消的優(yōu)點(diǎn)。A3為差動(dòng)放大，作為放大器的第二級(jí)。傳統(tǒng)方案采用三運(yùn)放儀表放大器作為生物電信號(hào)的前置放大電路，原理圖如圖23所示。所以，為了獲得較好的信噪比輸出信號(hào)，應(yīng)選擇低噪聲和低漂移性能較好的運(yùn)算放大器。(3)低噪聲、低漂移。共模抑制比(CMRR)是差動(dòng)放大電路的主要技術(shù)指標(biāo)。前級(jí)放大電路的輸入阻抗要大于5MΩ。前置級(jí)放大電路心電信號(hào)很微弱，而且