关于WPAN的脉搏血氧饱和度检测仪的研究与实现 检测仪

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脉搏和血氧饱和度反映了人体的重要生理状态，相关的测量方法和测量设备在临床中已得到广泛使用，比如脉搏血氧饱和度检测仪。脉搏血氧饱和度检测仪目前主要应用在手术室、ICU病房等，用于危重病人的生命体征的监护。虽然血氧饱和度和心率等指标在体育科研、非卧床病人的监护及特殊场合（如军事领域）也有重要意义，但由于目前该类设备皆为集中式控制，设备体积较大、使用不方便、价格昂贵、可管理性差，限制了相关应用。
为解决这些问题，本文介绍了基于无线个域网（WPAN）设计的脉搏血氧饱和度检测仪。WPAN是为在小范围内的设备间建立无线连接而开发的无线传输技术，IEEE标准化协会已为此制定了IEEE802.15.X标准。本文涉及的传输技术符合专门针对低速WPAN制定的IEEE802.15.4（ZigBee）标准。

1系统的组成及功能
基于WPAN的脉搏血氧饱和度检测仪的系统结构如图1所示。

检测仪移动采集终端的功能：检测人体的血氧饱和度、脉搏和脉搏强度，并通过WPAN通信模块将数据传送给检测系统主站。检测仪移动采集终端分为检测探头、血氧饱和度监测模块、电源和WPAN通信模块等部分。检测探头和血氧饱和度检测模块为外购的OEM模块，是美国BCI公司的产品，它利用光电法和比尔定理，从而实现无创检测。检测仪移动采集终端还支持一种独立工作方式，这种工作方式适合于连续非实时工作的情况。
检测仪主站的功能：通过WPAN接口接收并存储检测仪移动采集终端发出的信息；按操作者的指令在显示屏上显示移动终端传来的实时信息或历史数据；当检测参数超出门限值时发出报警信号；可根据需要通过快速以太网接口与后台的支持管理系统通信，以完成更复杂的管理功能。一个检测仪主站可连接多个检测仪移动采集终端，不仅增加了使用的方便性，而且提高了主站的利用率并降低了系统的使用成本。除检测探头和血氧饱和度检测模块外，系统其余部分全部为自行设计，下面分别予以介绍。

2检测仪移动采集终端的设计与实现
检测仪移动采集终端WPAN通信模块的功能：经WPAN通信模块接收检测仪主站的命令，对命令解析后通过RS2232接口向血氧饱和度检测模块发出控制命令；接收血氧饱和度监测模块的采集数据和反馈控制信息，经预处理和打包后经WPAN通信模块发送给检测仪主站。

2.1检测仪移动采集终端通信模块硬件设计
检测仪移动采集终端WPAN通信模块的硬件组成如图2所示。

（1）MCU部分功能和实现

MCU部分是WPAN通信模块的核心，完成通信模块各组成部分的控制、协调和数据的加工。具体功能：通过RS232接口与血氧饱和度检测模块通信，实现对它的控制和配置，并接收检测数据；通过SPI接口和状态指示接口实现对RF收发器的配置和检测，并完成发射和接收的数据交换；通过USART接口与数据存储器连接，完成数据存储器的读写操作；通过电源检测和状态指示部分，监测电源电压情况，并能通过状态指示产生报警提示。
（2）RF收发器的功能和实现

RF收发器的功能是实现要传输数据的无线收发。具体功能包括：通过SPI接口完成与MCU部分的数据交换，数据内容包括要传输的数据和来自MCU部分的控制和配置信息；根据来自MCU的控制和配置信息调整相关的RF参数；通过状态和指示接口将传输状态反馈给MCU；通过天线完成数据的无线发送和接收；完成WPAN的物理层功能，实现物理层的协议处理。该部分采用Chipcon公司CC2420实现。
（3）数据存储器的功能和实现
数据存储器的功能是缓冲血氧饱和度检测模块的采集数据。数据的缓冲主要应用在无线连接不可靠的情况。数据存储器在无线连接不通畅、无法完成采集数据的及时传送时缓冲积聚的数据，以便在数据通路恢复时传送这些数据；数据存储器的另一个功能是在移动采集终端离线使用时存储采集数据，这适合对监测对象的长期非实时的状态跟踪。
数据存储器采用ATMEL公司的新型FLASH芯片AT45DB041实现。当移动采集终端工作在离线状态时，采集数据存储在该存储器中，数据存储可持续时间大于48h，如采用压缩技术存储数据，数据存储持续时间大于168h.

2.2检测仪移动采集终端的软件实现
检测仪移动终端的软件是基于Webit510操作系统开发的。Webit510具有如下特点：面向8/16位低成本微控制器；完全抢占式事件驱动的固定优先级调度程序；支持256个优先级，相同优先级任务遵循FIFO调度策略；采用信号量机制实现同步或互斥共享；定时器管理支持一次性和周期性定时；精简、高效的动态内存管理策略；流设备管理；支持多级目录的文件系统；内置TCP/IP协议栈；支持运行任务的单步调试。
检测仪移动终端的软件的结构如图3所示。

3检测仪主站的设计与实现
检测仪主站的主要功能：经WPAN接口与移动采集终端通信，实现对移动采集终端的控制，并接受来自移动采集终端的采集数据；通过显示器模块以字符或图形方式显示采集的历史数据或实时数据；通过触摸屏以菜单形式完成控制或查询命令的输入；按用户要求实现对历史数据的管理和挖掘，存储采集的历史数据并具备历史数据的自动清除和锁定功能；具备快速以太网接口，通过该接口可实现与后台管理系统的连接。

3.1检测仪主站的硬件设计
检测仪主站的硬件结构如图4所示。下面分别介绍各主要部分的组成及其功能。