无线电子体温计的设计方案

无线电子体温计的设计
1 引言
临床监护和治疗中，医护人员常常要关注某些特殊患者（例如对重症病人或婴幼儿）的体温随时间变化的情况。

如果按照传统的方法采用水银体温计来测量，会给医护人员和患者带来许多麻烦。

特别在重症监护病房中，频繁地使用水银体温计测量患者的体温会使患者感到不舒服，影响患者的心情，不利于病情的好转。

此外，一旦水银体温计破裂，还会给病房带来一定程度的环境污染。

本文介绍一种具有无线遥测功能的电子体温测量系统，它采用电子测温和无线通信技术，可以圆满地解决这个问题。

2 系统结构
整个系统主要包括测温模块（电子体温计）、发射模块、接收模块、计算机终端，如图1所示。

测温模块由热敏电阻、放大器、微处理器构成。

测得人体的体温后，该模块将温度数据送至发射模块。

数据在发射模块内被调制，并由发射天线进行发射。

接收天线收到信号后，将信号送至接收模块进行解调，解调后的数据通过异步串行口送入计算机。

计算机可在同一屏幕上同时显示将多名患者的体温。

测温模块原理框图如图2所示。

本设计中的温度传感器采用高精度热敏电阻。

单片机采用TI公司的微控制器MSP430F435。

该款微控制器内带有8路12
位AD。

我们使用其中的一路作为温度信号采集通道。

微控制器根据采集到的温度信号的幅度来确定被测样本的温度。

此外微控制器还带有LCD驱动电路，可以直接与LCD屏相连而不需要额外的驱动电路，它最多可以显示96段。

微控制器计算出温度数据后，分两路输出，其中一路送给LCD用于温度的显示。

另一路作为无线基带信号送给无线收发芯片TRF6900，用于调制载波信号。

4 无线收发模块的设计
收发射模块均由德州仪器（TI）公司的无线收发芯片TRF6900、微控器MSP430F435、收发天线以及其他周边电路组成。

TRF6900是TI公司推出的单片射频收发芯片，其内部结构如图3所示。

芯片内集成了完整的发射电路（功率放大器、锁相环、压控振荡器、直接数字合成器、串行接口）和接收器电路（低噪声放大器、混频器、中频放大器、FM/FS K 解调器），适合在ISM频段内进行数据的双向无线传输。

传统的频移键控（FSK）是利用基带数字信号去控制电子开关，使之在不同振荡频率的振荡器之间进行切换，从而输出不同频率的信号，再与载波进行混频，从而实现频率调制。

与传统的方法不同，TRF6900采用DDS和PLL技术。

该技术直接由基带数字信号0，1产生相应两种不同频率的正弦波。

直接数字频率合成器是基于数字域，直接产生相应频率的正弦波。

它具有频率范围宽，频率分辨率高，可用软件方便地控制输出频率、频率切换速度快且切换频率时相位保持连续等优点。

从而在线性调频、扩频和跳频系统、多普勒响应模拟等领域得到了广泛应用。

具体方法是当传输0的时候是根据外接的参考频率和DDS的编程设置产生输出某个频率，而1则是在此基础上根据调制系数的传输速率来编程产生偏移频率。

但DDS由于受参考频率的限制，输出频率通常较低，一般为100 MHz—400MHz，而这一频段的频率资源相当紧张。

如果直接产用DDS产生射频信号，将会对DDS的实际应用造成很大限制。

所以在实际应用中往往是采用DDS/PLL混合方式。

该方法将DDS输出的中频信号作为PLL倍频器的参考频率，利用PLL将信号变换到所需的频率。

这种方式既保留了DDS的频率分辨率高和频率切换速度快的特性，又弥补了DDS输出频率较低的不足，从而得到广泛的应用。

TRF6900就是采用DDS/PLL这种方式。

TRF6900的工作模式有两种，分别为模式0和模式1，使用时通过MODE
线设置其工作模式为发射或接收。

输出频率可通过对四个专门工作寄存器A，B，C，D编程来灵活设置。

控制字A和B分别控制DDS模式0和模式1状态下输出信号频率。

控制字C负责锁相环和DDS模式0的设定。

控制字D负责调制和DDS模式1的设定。

图3 TRF6900 内部结构图
//本系统中采用的微控制器是TI公司的MSP430F435。

它具有功耗低、
体积小、硬件资源丰富等特点。

为了降低功耗，用户可以对内部电路模块进行通／断选择。

这些功能模块可在500ms内接通和断开。

在待机模式下，芯片的功耗可以达到微安级。

系统发射模块的构成如图4所示。

该模块由MSP430F435、TRF6900、收发天线组成，它与测温模块共用一个微控器MSP430F435。

接收模块的构成如图5所示。

其所用器件基本上与发射模块相同，所不同的是该模块具有异步串行通信的功能。

系统工作时接收模块在计算机的控制下，首先被设置为发射模式，并向发射模块发出询问信号。

该询问信号的有效数据为地址码。

而发射模块首先被设置为接收模式，当收到询问信号后，通过计算来判别该地址码是否有效。

若无效，则继续工作在接收模式下等待。

若有效，则立刻通过程序改变自身的工作模式，变为发射模式，然后将温度信号通过TRF6900和发射天线发射出去。

这时，接收模块已处于接收等待状态，接收到信号后，经过放大、变频、解调处理后，将温度信息还原，然后经异步串行口送至计算机进行显示。

图5 接收模块电路
为了实现无线数据通信，必须根据无线传输的一般要求以及所采用的无线传输收发芯片的特殊要求来设计一套传输协议。

由于异步传输效率低，一帧只能传输一个字节，加之TRF6900不支持异步数据格式，所以采用同步帧格式。

首先必须发送一个到两个字节的1和0相间隔的位同步码，一方面用来识别一帧有效数据和无效数据，另一方面是TRF6900接收最终输出需要的比较参考电平建立时间的需要。

接下来就是一个帧同步码，一般是一个下降沿开始。

接下来就是用户要上传的状态信息以及数据信息。

最后，为了保证无线传输的可靠性和高效性，必须有检错纠错码。

我们采用通讯中广泛使用的CRC循环冗余码，来达到前向纠错的目的。

5 数据接收终端的设计
数据接收终端的主要功能是接收并显示患者的体温数据。

它可将患者的体温以表格或者以图形的的形式在计算机屏幕上显示。

当体温高于设定的门限值时，它可以自动报警。

此外他还兼有设定系统参数的功能。

6 结束语
我们在该系统中使用了TI公司的单片无线收发芯片TRF6900。

该芯片功耗低，抗干扰能力强，且使用ISM频段，频率无需申请．可广泛应用于无线数据采集系统、无线监控系统、收费系统、智能卡、设备遥控等场合，应用前景十分广泛。

该系统具有一定的通用性，它不只是用来传输温度信息以及其它生物医学信号，还为低成本实现近距离通讯提供了一种思路和一套解决方案，可广泛的应用于其它的行业。