《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CC2530的脈搏感知節(jié)點設(shè)計
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第1期
劉 軍1，張金榜2，于湘珍1，馮 禹2，孔祥金2
1.武警工程大學(xué) 信息工程系，陜西 西安710086； 2.武警工程大學(xué) 研究生管理大隊，陜西 西安710086
摘要： 針對現(xiàn)有脈搏采集裝置價格昂貴、體積大、靈活性和擴展性差等問題，提出采用集微處理器和RF功能于一體的CC2530作為脈搏感知節(jié)點的主控芯片。CC2530控制感知節(jié)點的信號采集、處理和發(fā)送，實現(xiàn)功耗管理和任務(wù)管理。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計的感知節(jié)點具有功耗低、精度高、實時性強、穩(wěn)定可靠、體積小、靈活性高和操作方便的特點。
中圖分類號： TN911.3；TP391
文獻標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)01-0034-03
Design of pulse apperceive node based on CC2530
Liu Jun1，Zhang Jinbang2，Yu Xiangzhen1，F(xiàn)eng Yu2，Kong Xiangjin2
1.Department of Information Engineering, Engineering University of CAPF, Xi′an 710086，China； 2.Graduate Management Team,Engineering University of CAPF，Xi′an 710086，China
Abstract： Aimming at the issues such as valuableness,greater volume,bad flexibility and bad expansibility of the epuipment of pulse collection,this paper brings forward the scheme that makes CC2530 chip as the manipulative chip of pulse apperceive node which is composed of microprocessor and radio frequency chip.CC2530 chip controls the collection, disposing, sending and accept to administer the power and task. Experiments show that the node has the characteristics of low power consumption,high accuracy, better real time, stable and reliable perforemances，small size, high aqility and flexible operation.
Key words : pulse apperceiving；CC2530；program design

    脈搏攜帶著豐富的生理、生化和病理信息，具有重要的生理參考、醫(yī)學(xué)診斷和研究價值。目前，脈搏信息已被廣泛地應(yīng)用于心血管系統(tǒng)疾病監(jiān)測、睡眠質(zhì)量評估、疲勞程度監(jiān)測及運動機能水平監(jiān)測等與人類生活息息相關(guān)的領(lǐng)域[1-3]?，F(xiàn)有的脈搏采集系統(tǒng)主要存在設(shè)備價格昂貴、功耗大、體積大、靈活性差、采用有線傳輸方式及不易擴展等問題，不能方便地實現(xiàn)對人體脈搏信息實時、不間斷的測量。因此，本文提出采用集微處理器和RF功能于一體的SOC芯片CC2530作為脈搏感知節(jié)點的主控芯片，實現(xiàn)對節(jié)點的能量管理和任務(wù)調(diào)度。

1 感知節(jié)點硬件設(shè)計
1.1 硬件結(jié)構(gòu)
    考慮到節(jié)點的升級、擴展等問題，節(jié)點硬件采用模塊化設(shè)計方案。節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)由處理器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分構(gòu)成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。處理器模塊負(fù)責(zé)對整個節(jié)點進行控制和管理；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集脈搏信息并做一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；無線通信模塊負(fù)責(zé)節(jié)點之間按一定的通信協(xié)議相互通信；電源模塊負(fù)責(zé)為節(jié)點供電，提供各部分運行所需的電量。

1.2 硬件具體設(shè)計
1.2.1 處理器模塊設(shè)計
    在充分考慮處理芯片的體積、計算能力、功耗情況、存儲空間、集成度、成本及開發(fā)環(huán)境等因素的情況下，本設(shè)計采用TI公司的CC2530作為控制芯片。CC2530集成了微處理器、存儲器和射頻模塊，是一個SoC片上解決方案。它具有高集成度、低功耗、小體積、低成本、外圍電路簡單以及接口豐富等特點；支持點對點、點對多點、多點對多點無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸；可外接多種傳感器用于無線數(shù)據(jù)采集。CC2530的外圍電路如圖2所示。CC2530選用兩個晶振確保電路正常工作，XTAL1是32 kHz的主晶振；XTAL2是32.768 kHz的可選晶振，用于低睡眠電流消耗和精確喚醒時間的應(yīng)用[4]。部分外部元件取值表如表1所示。

1.2.2 無線通信模塊設(shè)計
    無線通信模塊設(shè)計需考慮通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸速率、調(diào)制方式、通信頻段、接收靈敏度、收發(fā)功率、省電模式、外圍電路是否簡單、與處理器的接口等因素。使用單極子不平衡天線，配合由分立電感、電容(C252、L252、C262、L261)組成的輸入/輸出匹配電路，滿足阻抗為50 Ω的天線的匹配要求，達(dá)到芯片的最優(yōu)性能。
1.2.3 傳感器模塊設(shè)計
    脈搏傳感器是脈搏感知節(jié)點的重要組成部分，其穩(wěn)定性和精度決定了脈搏信息的準(zhǔn)確性和有效性。在綜合考慮脈搏傳感器的工作原理、靈敏度、體積、成本等因素的基礎(chǔ)上，本設(shè)計采用HKB-2000型集成化脈搏傳感器。它是一種集成度高、軟接觸式的無創(chuàng)型脈搏傳感器，將PVDF壓電膜、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。該傳感器采用壓電式原理采集信號，輸出完整的脈搏模擬電壓信號，具有靈敏度高、成本低、抗干擾能力強、性能穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點，非常適合用于脈搏的無創(chuàng)檢測中[5]。
1.2.4 電源模塊設(shè)計[6]
    出于對傳感器節(jié)點電氣安全性和便攜性的考慮，本設(shè)計采用2節(jié)1.5 V蓄電池供電。考慮到處理器芯片和傳感器工作電壓范圍，采用美國MAXIM公司推出的MAX756高集成度電源管理芯片，以解決傳統(tǒng)開關(guān)電源設(shè)計電路復(fù)雜、體積龐大、自身功耗較大的問題。MAX756具有外圍電路簡單、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、工作電壓范圍廣等特點，且具有電池低壓檢測功能，可方便地提供5 V(HK-2000B型脈搏傳感器典型工作電壓)和3.3 V(CC2530芯片典型工作電壓)電壓供節(jié)點正常工作。MAX756典型的工作電路圖如圖3所示。

2.1 軟件平臺[7]
    TinyOS是專為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的操作系統(tǒng)。它采用組件的架構(gòu)方式、輕量級線程技術(shù)、事件驅(qū)動機制、主動消息通信模式和兩級任務(wù)調(diào)度方式的設(shè)計思想，滿足了并發(fā)處理的要求，提高了節(jié)點的資源利用效率。TinyOS環(huán)境下的編程語言為NesC，NesC是對C語言的擴展，擴展的目的是將C的模塊化思想與TinyOS的事件驅(qū)動機制結(jié)合起來。限于篇幅，本文主要介紹脈搏采集處理和無線發(fā)送子程序的設(shè)計。
2.2 脈搏采集處理子程序
    脈搏采集處理程序主要負(fù)責(zé)脈搏信號的采集和QRS檢測。模塊上電后進行初始化操作，啟動A/D，進行A/D轉(zhuǎn)換；定時到后，讀取數(shù)據(jù)，進行QRS檢測，并將結(jié)果打包發(fā)送。具體程序流程如圖5所示。

 

 

2.3 無線發(fā)送子程序
    復(fù)合感知節(jié)點采用CC2530作為處理器芯片，其集成了CC2520作為射頻RF模塊。CC2520中RAM有768 B，其中有128 B的發(fā)送FIFO緩存區(qū)和128 B的接收FIFO緩存區(qū)。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，需進行數(shù)據(jù)幀格式檢驗和空閑信道偵聽。具體流程如圖6所示。
3 感知節(jié)點功耗測試
    節(jié)點的使用壽命是脈搏感知節(jié)點考慮的關(guān)鍵問題。本文在完成感知節(jié)點設(shè)計的基礎(chǔ)上，對脈搏感知節(jié)點的功耗進行了初步估算。由于節(jié)點的生命周期和各個狀態(tài)的功耗密切相關(guān)，因此通過對感知節(jié)點各個狀態(tài)的功耗進行估算來計算單個節(jié)點的生命周期。由于CC2520接收和發(fā)送信息的過程比較復(fù)雜，在不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及不同的信息負(fù)載時有著不同的工作時間和電量消耗，因此只能對節(jié)點功耗進行估算，如表2所示。
    由表2可以計算出節(jié)點各部分1小時的功耗電流。處理器1小時的功耗電流：6.5 mA×0.01+10×0.001 mA×0.99=0.074 9 mA；CC2520射頻部分1小時的功耗電流：14 mA×0.007 5+16 mA×0.002 5+20×0.001 mA×0.99=0.164 8 mA；脈搏傳感器板1小時的功耗電流：5 mA×0.01+5×0.001 mA×0.99=0.050 99 mA；節(jié)點總的功耗電流：0.074 9 mA+0.164 8 mA+0.050 99 mA=0.290 69 mA。以3 V電池2 000 mAH的存儲電量為例，則系統(tǒng)連續(xù)運行時間為286天(2 000 mA/(0.290 69 mA×24天))。

    本文設(shè)計的脈搏感知節(jié)點采用集微處理器和RF芯片于一體的CC2530作為主控芯片，控制脈搏信號的采集、處理和發(fā)送操作，實現(xiàn)功耗管理和任務(wù)管理。試驗結(jié)果表明，感知節(jié)點具有功耗低、精度高、實時性強、穩(wěn)定可靠、體積小、靈活性高和擴展性強的特點。該脈搏感知節(jié)點可廣泛地適用于家庭醫(yī)療護理、睡眠質(zhì)量評估、遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控、疲勞監(jiān)測、運動負(fù)荷監(jiān)控及運動機能判定等領(lǐng)域中的脈搏信號實時監(jiān)測，有廣闊的應(yīng)用前景。
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