基于nRF9E5的运动心率采集和无线发送处理系统

第27卷 第1期2008年 2月北京生物医学工程

BeijingBiomedicalEngineeringVo.l27 No.1February 2008

基于nRF9E5的运动心率采集和无线发送处理系统

张鑫 王培勇 时永乐

摘 要 基于nRF9E5的运动心率采集和无线发送处理系统实现了心率的无线发送、处理和显示。系统充分利用了nRF9E5片内集成的nRF905无线收发器和8051内核,在体积、重量等方面都取得了很大的突破;心率滤波中所采用的措施有效地滤除了噪声对心率信号的干扰,使得心率波形更加直观、清晰,确保了本系统适用于运动过程中的心率数据采集。

关键词 心率;心电;无线收发;nRF9E5

中图分类号 R318 04 文献标识码 A 文章编号 1002-3208(2008)01-0078-04

ThedevelopmentofkinematicheartratemeasurementandwirelesstransmissionsystembasedonnRF9E5 ZHANGXin,WANGPeiyong,SHIYongle DepartmentofBiomedicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing 100084

Abstract ThekinematicheartratemeasurementandwirelesstransmissionsystembasedonnRF9E5isabletore-a-ltimewirelesstransmit,processanddisplayheart-ratecurve.Thankstotheon-chipnRF905and8051innRF9E5,thesystemreducesalotinbothweightandvolume.Moreover,anefficientfilterprocessingdigitalheartratesignalmakesthecurvemorereadableandlegiblethanever.Theseimprovementsmakethesystemmoresuitableformeasuringtheheartrateofpatientsorathletesinmoving.

Keywords heartrate;ECG;wirelessTransmission;nRF9E5

心率作为自主神经在窦房结水平相互作用的反映,它与人体心脏功能和状态密切相关,近年来在医

学和运动医学领域受到了广泛的关注。在医学领域中监测心率的主要手段是通过心电监护仪,而运动医学中是采用腕式心率表或心率计。前者适用于静息状态下的患者,后者适用于运动员自身去观看。因此如果要实时监测处于运动中人体的心率信号,这两种方法都是不适用的。

为了使医生或教练员能够实时监测运动中患者或运动员的心率信号,研制便携式运动心率实时采集和无线传输系统是非常必要的。此前,本实验室已完成基于单片机MSP430的心率采集系统。它是通过不断提取心脏跳动时两个相邻心电R波的时间间期(TR),实现心率的瞬时记录。该系统在与肌氧含量进行同步试验的研究中发挥了重要作用,但是试验过程中也发现这套系统在体积、能耗和稳定性上仍有一定的缺陷,给使用带来了不便。而且随着电子技术水平的提高,先进的电子器件在医疗领

基金项目: 十五 规划国家级课题(BLA010107)资助作者单位:清华大学生物医学工程系(北京 100084)

作者简介:张鑫(1980 ),男,硕士研究生

域使用越来越多,新型的芯片和片上系统使得无线的远距离传输成为可能,因此作者开发了基于nRF9E5的无线心率采集系统。

1 系统概述

此系统用nRF9E5集成的nRF905433/868/915MHz收发器、8051兼容的微控制器和内置电压调整模块构成无线模块。系统原理如图1所示。

图1 心率无线发送处理系统的框图Fig1 Generalframeofthewholesystem

其中,一级无线的是从心电传感器到无线转发器,它的作用是把经过滤波处理之后的心电信号发送到无线转发器。二级无线是在无线转发器和无线,

第1期 基于nRF9E5的运动心率采集和无线发送处理系统

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本系统除了在硬件方面进行提高以外,在软件方面也进行了改进。PC接收到心率信号后,根据人体心率信号的特点进行滤波。这种滤波方法,不同于传统的运动心率采集的5s心率平均法(衰减了有效信号),也不同于以前系统中使用的阈值心率鉴别法。

最终,通过软硬件两方面的改进,使得这套系统的性能大幅度提高。

5mm,这样可以使得无线信号转发器体积仅有3cm(宽) 4cm(高) 1cm(厚),它可以固定在人体的腰部或大腿外侧,不会影响人体的运动。通过它,使得心率信号的发送范围达到150m。

无线信号转发器中的无线接收谐振回路接收心电传感器发出的心电信号,因此必须频点准确、接收灵敏度高和选频性好。选频之后进行心电信号的放大、滤波处理,然后通过带有回差效应的施密特触发器,使得心电信号中的一个R波对应一个脉冲信号。脉冲信号可以使nRF9E5片内8051产生中断,开启定时器进行计时。根据定时器的计数,就可以得到心率的数值。

nRF9E5使用NordicVLSI公司的ShockBurst

TM

2 心率信号的提取与无线发送

2 1 心电电极和心率传感器

心率信号的提取由心电电极和心电传感器两部分组成。心电电极把采集到的心脏活动的微弱电信号传给心电传感器,后者的功能是对接收到

的心电信号进行放大、滤波、R波处理、脉冲整形和调制,然后把处理后的信号发送到无线信号转发器。该传感器与常规的心率记录仪相比,做工精细,耗电量小,具有相当高的抗干扰和抗振动能力。使用时通过导电橡胶固定到胸部外侧,当人体运动时仍可以贴紧胸廓,不易松动,也不会影响人体的正常运动。

2 2 心率信号的无线发送

心率传感器发送的心律信号最远距离是1m,而心率的监测范围往往要求大于1m,因此必须提高心率信号的发送范围。心率传感器装置在胸廓,为了不影响人体的正常运动,在体积和重量方面有严格的要求,因此不能简单地通过提高心律传感器的功率来实现发送范围的扩大。在本系统中使用nRF9E5组成的无线信号转发器实现这部分功能。无线信号转发器的原理框图如图2

所示。

进行高速的数据传输。与射频数据相关的协议由nRF9E5片内的nRF905收发器自动处理。集成的8051只用简单的SPI接口便能和nRF905进行数据传输。ShockBurst实现低速数据输入,高速数据输出,从而降低了系统的平均能耗。在ShockBurst发送方式下,nRF9E5自动给要发送的数据加上前缀和CRC校验。当收发器准备发射数据时,首先进入接收方式并探测所工作的信道是否空闲,当数据发送完后,数据准备好寄存器位(DR)会通知MCU数据已经处理完毕。具体的流程是:

微控制器通过SPI接口发送心率数值,按时序把接收机的地址和发送的数据传送给nRF905,SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定。

微控制器置高TRX_CE和TX_EN,激发nRF905的ShockBurst发送。

nRF905进行ShockBurst发送:射频寄存器自动开启;数据打包(加字头和CRC校验码);发送数据包;发送完成,数据准备好引脚置高。

AUTO_RETRAN被置高,nRF905不断重发,直到TRX_CE被置低。

当TRX_CE被置低,nRF905发送过程完成,自动进入空闲模式。

空闲模式有利于减小工作电流,从空闲模式到发送模式或接收模式的启动时间比较短。在空闲模式下,nRF905内部的部分晶体振荡器处于工作状态。由于nRF905是在每次心率信号到来时处于工作状态,其他时间是空闲状态,因此无线信号转发器TM

TM

TM

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图2 无线信号转发器的框图Fig2 TheframeofWirelessTransmitter

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3 心率信号的接收

nRF9E5片内的nRF905可以完成无线收发功能,因此心率接收器部分 无线信号接收器也是基于nRF9E5设计的,使用ShockBurst接收模式。当出现nRF9E5工作信道内的射频载波时,载波检测引脚(CD)被置高,这个特性很好地避免了同一工作频率下不同发射器数据包之间的碰撞。载波检测的标准一般比灵敏度低5dB,比如,灵敏度为-1 …… 此处隐藏：4965字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……