1、第14章 基于GPS和GPRS的健康监护仪单片机原理及应用系统设计本章主要内容项目背景与研究现状系统功能调试 系统硬件设计系统方案论证与总体设计系统软件设计p 14.1.1 项目背景项目背景p 14.1.2 研究现状研究现状p 14.2.1 系统设计目标系统设计目标p 14.2.2 系统方案论证系统方案论证 p 14.2.3 系统总体设计系统总体设计p 14.3.1 系统硬件总体结构框图系统硬件总体结构框图p 14.3.2 GPRS模块模块p 14.3.3 GPS模块模块p 14.3.4 心率传感器心率传感器p 14.3.5 体温传感器体温传感器p 14.3.6 其他外围硬件模块设计其他外围硬
2、件模块设计p 14.3.3 GPS模块模块p 14.3.4 心率传感器心率传感器p 14.3.5 体温传感器体温传感器p 14.3.6 其他外围硬件模块设计其他外围硬件模块设计p 14.4.1 GPRS程序设计程序设计p 14.4.2 GPS程序设计程序设计p 14.4.3 心率传感器程序设计心率传感器程序设计p 14.4.4 体温传感器程序设计体温传感器程序设计p 14.4.5 按键处理函数程序设计按键处理函数程序设计p 14.5.1功能测试功能测试p 14.5.2出现问题及解决方案出现问题及解决方案 我国是世界上人口最多的国家，随着时代的进步，生我国是世界上人口最多的国家，随着时代的进步，
3、生活节奏的加快，很多人在这种压力和环境下会患有各种各样活节奏的加快，很多人在这种压力和环境下会患有各种各样的疾病，例如高血压等。这些疾病并不需要医生随时陪伴身的疾病，例如高血压等。这些疾病并不需要医生随时陪伴身边，但若犯病也可能危及生命。边，但若犯病也可能危及生命。随着现代电子与通信的技术发展，很多技术都有了很随着现代电子与通信的技术发展，很多技术都有了很好的发展和很大的进步，为健康物联网的发展提供了很多便好的发展和很大的进步，为健康物联网的发展提供了很多便利。嵌入式技术的兴起与发展，集成技术日愈成熟，各种处利。嵌入式技术的兴起与发展，集成技术日愈成熟，各种处理器、控制器和多功能的芯片体积越来
4、越小，使得以前那些理器、控制器和多功能的芯片体积越来越小，使得以前那些医用监护仪不断更新换代，制造监护仪设备的大部分器件体医用监护仪不断更新换代，制造监护仪设备的大部分器件体积越来越小，监护仪的外形也越来越集成化；不过虽然监护积越来越小，监护仪的外形也越来越集成化；不过虽然监护仪的体积越来越小，但是它们的性能却没有减弱，反而是越仪的体积越来越小，但是它们的性能却没有减弱，反而是越来越好，拥有的功能也越来越多，而且更加地智能和人性化，来越好，拥有的功能也越来越多，而且更加地智能和人性化，用户可以更加容易掌握监护仪的操作。用户可以更加容易掌握监护仪的操作。14.1.1 项目背景项目背景第第11章章
5、 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块在通信技术发达的今天，网络覆盖范围越来愈大，使在通信技术发达的今天，网络覆盖范围越来愈大，使医疗监护设备逐渐与网络相连，从而利用网络技术为远程医医疗监护设备逐渐与网络相连，从而利用网络技术为远程医疗的发展服务，可以达到更好的效果。上面叙述的方方面面疗的发展服务，可以达到更好的效果。上面叙述的方方面面都为研究开发各种各样的用于保证人体健康的仪器设备提供都为研究开发各种各样的用于保证人体健康的仪器设备提供了有效的保障。用户可以利用嵌入式智能终端随时随地采集了有效的保障。用户可以利用嵌入式智能终端随时随地采集生理参数，通过像生理参数，通过像GPRSGPR
6、S、GSMGSM、蓝牙和以太网技术等接入技术、蓝牙和以太网技术等接入技术连接到各种各样的网络及服务器进行数据传输、交换、记录，连接到各种各样的网络及服务器进行数据传输、交换、记录，医生或者家属都可以随时随地查看智能监护终端监护病人得医生或者家属都可以随时随地查看智能监护终端监护病人得来的生理参数信息，另外终端还可以智能的评估病人的各项来的生理参数信息，另外终端还可以智能的评估病人的各项生理参数，一旦出现危险可以及时报警通知医生进行抢救和生理参数，一旦出现危险可以及时报警通知医生进行抢救和治疗，避免贻误最佳治疗时机。这样的方法不但可以更加高治疗，避免贻误最佳治疗时机。这样的方法不但可以更加高效地
7、利用那些面对越来越严峻医疗形式而匮乏的医疗设备、效地利用那些面对越来越严峻医疗形式而匮乏的医疗设备、医护人员等等资源，同时也减少了患者家庭由于治病而带来医护人员等等资源，同时也减少了患者家庭由于治病而带来的家庭支出，为提高人们健康水平提供了极大的便利。的家庭支出，为提高人们健康水平提供了极大的便利。14.1.2 研究现状研究现状第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块国外在健康监护终端领域的研究开展得比较早，并且国外在健康监护终端领域的研究开展得比较早，并且取得了很多优秀的成绩。美国是最早开始这方面研究工作的，取得了很多优秀的成绩。美国是最早开始这方面研究工作的，早在上个世纪
8、三、四十年代，美国的理学博士早在上个世纪三、四十年代，美国的理学博士 NORMAN NORMAN就开就开始从事生物信号的遥测技术，经过几十年的努力，终于在始从事生物信号的遥测技术，经过几十年的努力，终于在19611961年成功研发出来世界上第一台动态的心电监护系统应用年成功研发出来世界上第一台动态的心电监护系统应用于临床医学。于临床医学。2020世纪世纪6060年代，北美建立第一批冠心病监护病年代，北美建立第一批冠心病监护病房房(CCU)(CCU)，在开了这个先例之后，监护系统方面得到了飞速，在开了这个先例之后，监护系统方面得到了飞速的发展。到了的发展。到了 70 70年代，诸如心电呼吸机、心
9、电图分析仪等年代，诸如心电呼吸机、心电图分析仪等等单一的生理参数监护设备已经应用到了临床之上。美国的等单一的生理参数监护设备已经应用到了临床之上。美国的HEARTFAXHEARTFAX、HEARTMIRRORHEARTMIRROR、HEARTVIEWHEARTVIEW系列心电监护产品也属系列心电监护产品也属于这个领域的研究成果，另外于这个领域的研究成果，另外IHEALTHLABIHEALTHLAB公司上市了可利用公司上市了可利用IPHONEIPHONE等支持等支持IOSIOS终端的便携式血压监测装置。终端的便携式血压监测装置。我国在这一领域的研究起步较晚，基本上是在国外起步我国在这一领域的研究
10、起步较晚，基本上是在国外起步几十年之后才慢慢开始这方面的研究工作，虽然我国在这方面几十年之后才慢慢开始这方面的研究工作，虽然我国在这方面的研究时间不算长，但也取得了一定的成果。特别是在八十年的研究时间不算长，但也取得了一定的成果。特别是在八十年代开始，通信、计算机等等跟智能健康监护有关的技术迅速发代开始，通信、计算机等等跟智能健康监护有关的技术迅速发展展,加快了我国在这一领域的研究步伐。加快了我国在这一领域的研究步伐。20002000年初，台湾的徐铭年初，台湾的徐铭鸿教授开发了一种采用鸿教授开发了一种采用GSMGSM模块通过电信网进行生理参数传输的模块通过电信网进行生理参数传输的系统，不久之后
11、同在台湾的涂清源教授研究了一种面向家庭的系统，不久之后同在台湾的涂清源教授研究了一种面向家庭的监护系统，这套系统采用的通信技术有家用小范围无线局域网监护系统，这套系统采用的通信技术有家用小范围无线局域网技术和互联网技术，可以在家里面接受测试，极大方便了测试技术和互联网技术，可以在家里面接受测试，极大方便了测试者，为病人的快速恢复做出了比较大的贡献。深圳迈瑞生物医者，为病人的快速恢复做出了比较大的贡献。深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司开发的疗电子股份有限公司开发的PM-9000 ExpressPM-9000 Express型多参数监护仪，型多参数监护仪，这个监护仪可以对人体的心电、呼吸、体温等等
12、生理重要的参这个监护仪可以对人体的心电、呼吸、体温等等生理重要的参数进行监测，同步显示心率、呼吸、血氧饱和度参数、准确反数进行监测，同步显示心率、呼吸、血氧饱和度参数、准确反映患者三个参数间的关联反应。映患者三个参数间的关联反应。到目前为止，国内外对智能健康监护设备研制方面进行了大量到目前为止，国内外对智能健康监护设备研制方面进行了大量的研究工作，在很多方面取得了不少的成果。的研究工作，在很多方面取得了不少的成果。本项目着眼于医疗方面的应用，研制了一种健康移动监护的智本项目着眼于医疗方面的应用，研制了一种健康移动监护的智能设备。能设备。主要实现的目标有三个：主要实现的目标有三个：GPS定位、心
13、率检测、温度检测。心定位、心率检测、温度检测。心率监测是利用心率传感器采集人体心电信号以分析判断心率异率监测是利用心率传感器采集人体心电信号以分析判断心率异常的类型。温度检测是利用温度传感器采集人体体温以判断体常的类型。温度检测是利用温度传感器采集人体体温以判断体温异常的类型。第三个设计目的是对患者进行温异常的类型。第三个设计目的是对患者进行GPS监护跟踪以监护跟踪以确定患者位置。确定患者位置。当上述意外发生时，系统发出报警信号并通知患者家属。总之，当上述意外发生时，系统发出报警信号并通知患者家属。总之，通过心率、体温异常诊断和通过心率、体温异常诊断和GPS定位跟踪实现对患者远程健康定位跟踪实
14、现对患者远程健康监护的目的。监护的目的。14.2.1 系统设计目标系统设计目标第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块 方案二：体温传感器采用方案二：体温传感器采用MLX90614MLX90614，心率传感器采用，心率传感器采用PulsesensorPulsesensor，GPSGPS采用工业级采用工业级U-BLOX-NEO-6MU-BLOX-NEO-6M模组，模组，GPRSGPRS采用采用SIM900ASIM900A。利用模拟。利用模拟IICIIC接口采集体温信息，并通过接口采集体温信息，并通过STC15STC15单
15、片机自带的单片机自带的ADAD转换器解析计算心率值。用户端通过转换器解析计算心率值。用户端通过OLEDOLED液晶显示屏显示用户基本信息以及位置坐标和时间，液晶显示屏显示用户基本信息以及位置坐标和时间，通过按键也能控制显示的内容。通过按键也能控制显示的内容。GPRSGPRS模块可以通过发送相模块可以通过发送相关指令来远程控制下位机。该系统电源采取双电源供电。关指令来远程控制下位机。该系统电源采取双电源供电。方案比较：方案二采用的体温传感器为方案比较：方案二采用的体温传感器为MLX90614MLX90614红外红外体温传感器，测量的精度和准确度高，红外测温可以减少体温传感器，测量的精度和准确度高
16、，红外测温可以减少因为传感器放置位置的不同而导致测量不精确的误差。显因为传感器放置位置的不同而导致测量不精确的误差。显示屏模块采用示屏模块采用OLEDOLED，具有体积小，显示内容多的优点，避，具有体积小，显示内容多的优点，避免了免了16021602液晶显示屏显示内容少以及液晶显示屏显示内容少以及1286412864显示屏体积过大显示屏体积过大的缺点。双电源供电既保证了系统的稳定性，也保证了系的缺点。双电源供电既保证了系统的稳定性，也保证了系统的供电功率。统的供电功率。本设计基于物联网技术，设计结构如图本设计基于物联网技术，设计结构如图14-1所示所示图图14-1 14-1 基于物联网的监护跟
17、踪系统基于物联网的监护跟踪系统第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块 本文主要分析研究监护设备的设计和调试方法，该监护设备本文主要分析研究监护设备的设计和调试方法，该监护设备采用高性能、低功耗的嵌入式微处理器采用高性能、低功耗的嵌入式微处理器STCSTC作为核心芯片。作为核心芯片。另外还研究了另外还研究了GPRSGPRS技术，将技术，将GPRSGPRS模块集成到研制好的移动监模块集成到研制好的移动监护设备上，系统总体设计及功能如下：护设备上，系统总体设计及功能如下：（1 1）利用心率传感器实现对心跳频率的检测并通过）利用心率传感器实现对心跳频率的检测并通过STC15STC1
18、5单片机串口发出数据；单片机串口发出数据；（2 2）利用红外体温传感器实现对体温的检测并通过）利用红外体温传感器实现对体温的检测并通过STC15STC15单片机串口发出数据；单片机串口发出数据；（3）利用）利用GPS模块采集位置和时间信息并通过模块采集位置和时间信息并通过STC15单片单片机串口发出数据；机串口发出数据；（4）利用）利用GPRS模块将模块将STC15单片机串口发出的数据发送单片机串口发出的数据发送到电脑网络调试助手显示，以及实现在网络调试助手上发到电脑网络调试助手显示，以及实现在网络调试助手上发出指令，单片机实现相应的功能；出指令，单片机实现相应的功能；（5）在显示屏上实时显示
19、测得的体温值和心率值和位）在显示屏上实时显示测得的体温值和心率值和位置时间等信息。置时间等信息。第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块在本论文中，主要研究的是传感器数据采集和在本论文中，主要研究的是传感器数据采集和GPRS数据传输，其中最主要的工作是处理器串口功数据传输，其中最主要的工作是处理器串口功能的实现，这一步工作非常重要，是系统正常运行的能的实现，这一步工作非常重要，是系统正常运行的前提。这套系统的主要结构是通过处理器来采集传感前提。这套系统的主要结构是通过处理器来采集传感器和器和GPS采集的数据并通过采集的数据并通过GPRS传送给移动终端实传送给移动终端实现人机交
20、互，大体结构如图现人机交互，大体结构如图14 4-2所示。所示。图图1 14 4-2 -2 系统硬件总体结构框图系统硬件总体结构框图第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块ECOMnECOMn：比较器功能使能位。当：比较器功能使能位。当ECOM0ECOM01 1时，允许比较器功能。时，允许比较器功能。CAPPnCAPPn：正捕获控制位。当正捕获控制位。当CAPP0CAPP01 1时，允许上升沿捕获。时，允许上升沿捕获。CAPNnCAPNn：负捕获控制位。当：负捕获控制位。当CAPN0CAPN01 1时，允许下降沿捕获。时，允许下降沿捕获。MATnMATn：匹配控制位。当匹配控
21、制位。当MATnMATn1 1时，时，PCAPCA计数器计数器 (CH(CH、CL)CL)的计的计数值与模块数值与模块n n的比较的比较/捕获寄存器（捕获寄存器（CCAPnHCCAPnH、CCAPnLCCAPnL）的值匹配）的值匹配时，将置位时，将置位CCONCCON寄存器中的中断请求标志位寄存器中的中断请求标志位CCFnCCFn.。TOGnTOGn：翻转控制位。翻转控制位。当当TOGnTOGn1 1时，时，PCAPCA模块工作在高速脉模块工作在高速脉冲输出模式。即冲输出模式。即PCAPCA计数器计数器(CH(CH、CL)CL)的数值与模块的数值与模块n n的比较的比较/捕捕获存器（获存器（C
22、CAPnHCCAPnH、CCAPnLCCAPnL）的值匹配时，）的值匹配时，PCAPCA模块模块n n引脚的输引脚的输出状态翻转。出状态翻转。PWMnPWMn：脉宽调制模式控制位。脉宽调制模式控制位。当当PWMnPWMn1 1时，时，PCAPCA模块工作模块工作在脉宽调制模式，在脉宽调制模式，PCAPCA模块模块n n引脚用于脉宽调制输出。引脚用于脉宽调制输出。ECCFnECCFn：PCAPCA模块模块n n中断使能控制位。中断使能控制位。ECCFn ECCFn=1=1：允许：允许PCAPCA模块模块n n的的CCFnCCFn标志位被置标志位被置1 1，产生中断。，产生中断。ECCFn ECC
23、Fn=0=0：禁止中断。：禁止中断。第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块 本设计使用本设计使用SIM900A GPRSSIM900A GPRS模块实现与服务器上有固定模块实现与服务器上有固定IPIP地地址的上位机管理软件数据同步以及通过上位机发送指令控址的上位机管理软件数据同步以及通过上位机发送指令控制单片机。采用制单片机。采用GPRSGPRS网络这种无线传输方式不需要繁琐的网络这种无线传输方式不需要繁琐的布线，并且布线，并且GPRSGPRS是按流量收费，所以是一种比较经济的数是按流量收费，所以是一种比较经济的数据传输方式。据传输方式。SIM900ASIM900A模块是一
24、款高性能工业级模块是一款高性能工业级GSM/GPRSGSM/GPRS模块，接口丰模块，接口丰富，功能完善，工作稳定，抗干扰强，外围电路集成度高，富，功能完善，工作稳定，抗干扰强，外围电路集成度高，尺寸小巧。图尺寸小巧。图13-313-3为模块实物图。为模块实物图。图图14 4-3 SIM900A GPRS模块实物图模块实物图 1.GPRS1.GPRS网络结构及特点网络结构及特点 GPRSGPRS系统本身使用系统本身使用IPIP网络结构，并对用户进行独立地址分网络结构，并对用户进行独立地址分配，将用户视为独立的数据用户，从而实现从网络到移动配，将用户视为独立的数据用户，从而实现从网络到移动用户的
25、端到端的数据应用。用户的端到端的数据应用。GPRSGPRS网络结构是在网络结构是在GSMGSM系统上引入了几种新的网络单元，系统上引入了几种新的网络单元，如如PCUPCU、SGSNSGSN、GGSNGGSN，以及其它辅助数据业务管理和应用，以及其它辅助数据业务管理和应用单元的单元的DNSDNS和和DHCPDHCP服务器、网络时间协议服务器、网络时间协议NTPNTP、计费网关、计费网关CGCG等。等。GPRSGPRS网络不仅能支持网络不仅能支持TCP/IPTCP/IP传输协议而且也能支持传输协议而且也能支持X.25X.25协协议。其网络系统的特点可以概括为：实时在线、快捷登录、议。其网络系统的特
26、点可以概括为：实时在线、快捷登录、按流量计费、高速传输和切换自如。实时在线。不用拨号，按流量计费、高速传输和切换自如。实时在线。不用拨号，启动后就能直接与启动后就能直接与GPRSGPRS网络连通。利用心跳机制就可以使网络连通。利用心跳机制就可以使服务器和客户端之间保持连接通路畅通实时在线服务器和客户端之间保持连接通路畅通实时在线。（1 1）快捷登录。）快捷登录。GPRSGPRS一启动后能自动连接到一启动后能自动连接到GPRSGPRS网络网络上，连接时间大约是上，连接时间大约是3 3到到5 5秒；当用户需要上网时，操作后秒；当用户需要上网时，操作后经过经过1 1到到3 3秒后就可以访问需要的内容
27、。秒后就可以访问需要的内容。（2 2）按流量计费。）按流量计费。GPRSGPRS收费方式是以流量的多少来计收费方式是以流量的多少来计算费用，与在线连接的时间无关。在国内，有算费用，与在线连接的时间无关。在国内，有GPRSGPRS覆盖的覆盖的地方都可以实现地方都可以实现GPRSGPRS的自动漫游。的自动漫游。（3 3）高速传输。）高速传输。GPRSGPRS数据传输使用数据传输使用GSMGSM的的8 8个时隙，其个时隙，其理论上支持的最高速度可达到理论上支持的最高速度可达到171.2kbps171.2kbps。是。是GSMGSM网络中电网络中电路数据交换业务速度的路数据交换业务速度的1717倍。倍
28、。（4 4）切换自如。使用）切换自如。使用GPRSGPRS上网的同时，也能进行正常上网的同时，也能进行正常接打电话。接打电话。2.GPRS模块选型模块选型 本设计使用本设计使用SIMCOM公司生产的公司生产的GPRS模块模块SIM900A作为无作为无线通信模块。电源采用开关电源模块供电，电源利用效率线通信模块。电源采用开关电源模块供电，电源利用效率高，支持高，支持USB直接供电，同时带电源使能引脚，可以控制直接供电，同时带电源使能引脚，可以控制模块电源。模块电源。SIM卡采用目前主流的卡采用目前主流的MICRO卡座，同时添加卡座，同时添加ESD静电保护电路。静电保护电路。其主要特点有：其工作电
29、压范围是其主要特点有：其工作电压范围是3.4V4.5V；默认频带；默认频带为为 EGSM 900MHz 和和DCS 1800MHz；休眠模式最低电流功；休眠模式最低电流功耗只有耗只有1.0mA；GPRS 上行数据传输速率最大值为上行数据传输速率最大值为42.8kbps，下行数据传输速率最大值为下行数据传输速率最大值为85.6kbps；支持；支持MT、MO、CB、Text和和PDU 编码；有两个串行接口，串口编码；有两个串行接口，串口1 为标准的为标准的8 线线接口，可以用于接口，可以用于CSD FAX、GPRS 服务和发送服务和发送AT 指令，串口指令，串口2 为接收为接收/发送的发送的2 线
30、制接口，只能用来发送线制接口，只能用来发送AT 指令指令。3.GPRS3.GPRS模块模块ATAT指令及操作指令及操作（1 1）ATAT指令的语法指令的语法 ATAT命令由命令由ASCIIASCII字符组成，除了字符组成，除了“”和和“+”“+”两条命令两条命令之外，所有的命令行均以之外，所有的命令行均以“AT”“AT”开头，以开头，以+结束，一个命令行可以有多条命令，但总字符数不能超过结束，一个命令行可以有多条命令，但总字符数不能超过200200。ATAT命令的拼写对字母大小写不敏感，但部分字符串命令的拼写对字母大小写不敏感，但部分字符串参数例外。绝大多数命令被模块执行后，都有返回参数，参数
31、例外。绝大多数命令被模块执行后，都有返回参数，返回参数的格式为：返回参数的格式为：responseresponse ATAT命令的命令的responseresponse字段是否显示以及显示格式是可以通过字段是否显示以及显示格式是可以通过ATAT命令本身进行控制的。命令本身进行控制的。（2 2）用）用ATAT指令对指令对SIM900ASIM900A模块进行设置模块进行设置 第一步：第一步：AT+CSQ AT+CSQ 查询网络信号质量，其中第一个参查询网络信号质量，其中第一个参数为网络信号质量最大为数为网络信号质量最大为3131，此数值越大说明网络信号越，此数值越大说明网络信号越强。强。第二步：第
32、二步：AT+CREG?AT+CREG?查询网络注册情况，其中第二个查询网络注册情况，其中第二个参数为参数为1 1或或5 5则说明已经注册成功。则说明已经注册成功。第三步：第三步：AT+CGATT?AT+CGATT?查询模块是否附着查询模块是否附着 GPRS GPRS 网络网络 第四步：第四步：AT+CSTT AT+CSTT 设置设置APNAPN 第五步：第五步：AT+CIICR AT+CIICR 激活移动场景激活移动场景 第六步：第六步：AT+CIFSR AT+CIFSR 获得本地获得本地IPIP地址地址 第七步：第七步：AT+CIPSTART=TCP,1234 AT+CIPSTART=TCP
33、,1234 建立建立TCP/IPTCP/IP连接服务器端连接状态栏已经检测到了有客户端接连接服务器端连接状态栏已经检测到了有客户端接入了，并显示了入了，并显示了IPIP和占用的通道号，图和占用的通道号，图13-413-4为网络调试助为网络调试助手显示已经连接状态的窗口。手显示已经连接状态的窗口。第八步：第八步：AT+CIPSEND AT+CIPSEND 模块向服务器发送数据模块向服务器发送数据 4.GPRS4.GPRS接口电路设计接口电路设计 本设计采用的本设计采用的SIM900ASIM900A模块，同时支持模块，同时支持RS-232RS-232串口和串口和TTLTTL串串口，在本设计中采用口
34、，在本设计中采用TTLTTL串口，在于其只需要通过两根线串口，在于其只需要通过两根线TXDTXD和和RXDRXD连接单片机，接线简单，模块原理图如图连接单片机，接线简单，模块原理图如图14-514-5所所示。示。图图1414-5 SIM900A GPRS-5 SIM900A GPRS模块原理图模块原理图第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块1.特性参数特性参数 （1）模块采用）模块采用U-BLOX NEO-6M模组，体积小巧，性能优异。模组，体积小巧，性能优异。（2）模块增加放大电路，有利于无缘陶瓷天线快速搜星。）模块增加放大电路，有利于无缘陶瓷天线快速搜星。（3）模块可通
35、过串口进行各种参数设置，并可保存在）模块可通过串口进行各种参数设置，并可保存在EEPROM，使用方便。，使用方便。（4）模块自带）模块自带SMA接口，可以连接各种有源天线，适应能力接口，可以连接各种有源天线，适应能力强。强。（5）模块兼容）模块兼容3.3V/5V电平，方便连接各种单片机系统。电平，方便连接各种单片机系统。（6）模块自带可充电后备电池，可以掉电保持星历数据。）模块自带可充电后备电池，可以掉电保持星历数据。【注意】【注意】（1）本模块默认波特率为）本模块默认波特率为9600。（2）供电电压）供电电压3.3V-5V（可直接接（可直接接5V或者或者3.3V供电，内核工作供电，内核工作电
36、压电压3.3V）。）。（3）可直接接）可直接接3.3V或者或者5V单片机单片机IO进行通信。进行通信。2.2.引脚说明引脚说明 引脚图如表引脚图如表14-114-1所示。所示。其中，其中，PPSPPS引脚同时连接到了模块自带了的状态指示灯：引脚同时连接到了模块自带了的状态指示灯：PPSPPS，该引脚连接在，该引脚连接在UBLOX NEO-6MUBLOX NEO-6M模组的模组的TIMEPULSETIMEPULSE端口，端口，该端口的输出特性可以通过程序设置。该端口的输出特性可以通过程序设置。PPSPPS指示灯（即指示灯（即PPSPPS引脚），在默认条件下（没经过程序设置），有引脚），在默认条件
37、下（没经过程序设置），有2 2个状态：个状态：（1 1）常亮：表示模块已开始工作，但还未实现定位。）常亮：表示模块已开始工作，但还未实现定位。（2 2）闪烁（）闪烁（100ms100ms灭，灭，900ms900ms亮）：表示模块已经定位亮）：表示模块已经定位成功。成功。3.3.指令解析指令解析 NMEA 0183NMEA 0183是美国国家海洋电子协会（是美国国家海洋电子协会（National Marine National Marine Electronics AssociationElectronics Association）为海用电子设备制定的标准）为海用电子设备制定的标准格式。目前业
38、已成了格式。目前业已成了GPSGPS导航设备统一的导航设备统一的RTCMRTCM（Radio Radio Technical Commission for Maritime servicesTechnical Commission for Maritime services）标准协）标准协议。议。NMEA-0183NMEA-0183协议采用协议采用ASCIIASCII码来传递码来传递GPSGPS定位信息，我们称定位信息，我们称之为帧。之为帧。帧格式形如：帧格式形如：$aaccc,ddd,ddd,$aaccc,ddd,ddd,ddd,ddd*hh(CR)(LF)hh(CR)(LF)（1 1）“$
39、”“$”：帧命令起始位：帧命令起始位 （2 2）aacccaaccc：地址域，前两位为识别符（：地址域，前两位为识别符（aaaa），后三），后三位为语句名（位为语句名（cccccc）（3 3）dddddddddddd：数据：数据 第第1111章章 STC15STC15系列单片机系列单片机PCAPCA模块模块（4 4）“*”：校验和前缀（也可以作为语句数据结束的标：校验和前缀（也可以作为语句数据结束的标志）志）（5 5）hhhh：校验和（：校验和（check sumcheck sum），），$与与*之间所有字符之间所有字符ASCIIASCII码的校验和（各字节做异或运算，得到校验和后，码的校验和
40、（各字节做异或运算，得到校验和后，再转换再转换1616进制格式的进制格式的ASCIIASCII字符）字符）（6 6）(CR)(LF)(CR)(LF)：帧结束，回车和换行符：帧结束，回车和换行符（7）指令举例）指令举例 1）$GPGGA（GPS定位信息，定位信息，Global Positioning System Fix Data）$GPGGA语句的基本格式如下（其中语句的基本格式如下（其中M指单位指单位M，hh指校指校验和，验和，CR和和LF代表回车换行，下同）：代表回车换行，下同）：$GPGGA,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),M,(10),M,(11
41、),(12)*hh(CR)(LF)UTC时间，格式为时间，格式为hhmmss.ss；纬度，格式为纬度，格式为ddmm.mmmmm（度分格式）；（度分格式）；纬度半球，纬度半球，N或或S（北纬或南纬）；（北纬或南纬）；经度，格式为经度，格式为dddmm.mmmmm（度分格式）；（度分格式）；经度半球，经度半球，E E或或WW（东经或西经）；（东经或西经）；GPSGPS状态，状态，0=0=未定位，未定位，1=1=非差分定位，非差分定位，2=2=差分定位；差分定位；正在使用的用于定位的卫星数量（正在使用的用于定位的卫星数量（00120012）HDOPHDOP水平精确度因子（水平精确度因子（0.599
42、.90.599.9）海拔高度（海拔高度（-9999.9-9999.9到到9999.99999.9米）米）大地水准面高度（大地水准面高度（-9999.9-9999.9到到9999.99999.9米）米）差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，非差分定差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，非差分定位，此项为空）位，此项为空）差分参考基站标号（差分参考基站标号（00000000到到10231023，首位，首位0 0也将传送，非差分定位，也将传送，非差分定位，此项为空此项为空)第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块例如：例如：$GPGGA,023543.00,2308
43、.28715,N,11322.09875,E,1,06,1.49,41.6,M,-5.3,M,*7D 2）$GPGLL（定位地理信息（定位地理信息Geographic Position）$GPGLL语句的基本格式如下：语句的基本格式如下：$GPGLL,(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7)*hh(CR)(LF)纬度纬度ddmm.mmmmm（度分）（度分）纬度半球纬度半球N（北半球）或（北半球）或S（南半球）（南半球）经度经度dddmm.mmmmm（度分）（度分）第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块经度半球经度半球E（东经）或（东经）或W（西经）（西经）UT
44、C时间：时间：hhmmss（时分秒）（时分秒）定位状态，定位状态，A=有效定位，有效定位，V=无效定位无效定位模式指示（模式指示（A=自主定位，自主定位，D=差分，差分，E=估算，估算，N=数据无效）数据无效）例如：例如：$GPGLL,2308.28715,N,11322.09875,E,023543.00,A,A*6第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块4.GPS接口电路设计接口电路设计本设计中考虑到作品体积及便携等特点，故采用本设计中考虑到作品体积及便携等特点，故采用TTL接线，即接线，即由两个串口线进行数据传输，由两个串口线进行数据传输，GPS上的串口上的串口RXD和
45、和TXD分别接分别接在单片机上串口在单片机上串口1上的上的TXD和和RXD引脚上，即引脚上，即P3.1和和P3.0两个端两个端口。口。GPS模块原理图如图模块原理图如图14-6所示。所示。第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块 第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块 1.模块简介模块简介 PulseSensor是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器。采用光电容积法的原理对信号进行采集，将其佩戴感器。采用光电容积法的原理对信号进行采集，将其佩戴于手指或耳
46、垂等处，利用人体组织在血管搏动时造成透光于手指或耳垂等处，利用人体组织在血管搏动时造成透光率的不同来测量脉搏。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性率的不同来测量脉搏。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏频率。器的电信号变化周期就是脉搏频率。2.心率传感器原理心率传感器原理传统的脉搏测量方法主要有三种：一是从心电信号中提取；二传统的脉搏测量方法主要有三种：一是从心电信号中提取；二是从测量血压时压力传感器测到的波动来计算脉率；三是光电是从测量血压时压力传感器测到的波动来计算脉率；三是光
47、电容积法。前两种方法提取信号都会限制病人的活动，如果长时容积法。前两种方法提取信号都会限制病人的活动，如果长时间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感。而光电容积法脉间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感。而光电容积法脉搏测量作为监护测量中最普遍的方法之一，具有方法简单、佩搏测量作为监护测量中最普遍的方法之一，具有方法简单、佩戴方便、可靠性高等特点。戴方便、可靠性高等特点。第第11章章 STC15系列单片机系列单片机PCA模块模块光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏测量的。其使用的传感器由光源和光电变换器两
48、不同来进行脉搏测量的。其使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成，通过绑带或夹子固定在病人的手指或耳垂上。光源一部分组成，通过绑带或夹子固定在病人的手指或耳垂上。光源一般 采 用 对 动 脉 血 中 氧 和 血 红 蛋 白 有 选 择 性 的 一 定 波 长般 采 用 对 动 脉 血 中 氧 和 血 红 蛋 白 有 选 择 性 的 一 定 波 长（500nm700nm500nm700nm）的发光二极管。当光束透过人体外周血管，由）的发光二极管。当光束透过人体外周血管，由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由于动脉搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收
49、经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。脉搏率。根据相关文献和实验结果，根据相关文献和实验结果，560nm波长左右的波可以反映皮肤波长左右的波可以反映皮肤浅部微动脉信息，适合用来提取脉搏信号。本传感器采用了峰值浅部微动脉信息，适合用来提取脉搏信号。本传感器采用了峰值波长为波长为515nm的绿光的绿光LED，型号为，型号为AM2520，而光接收器采用了，而光接收器采用了APDS-9008，这是一款环境光感受器，感受峰值波长为，这是一款环境光感受器，感受峰值波长为565nm，两者的峰值波长相近，灵敏度较高。两者的峰值波长相近，灵敏度较高。此外，由于脉搏信号的频带一般在此外，由于脉搏信号的频带一般在0.05200Hz 之间，信号幅之间，信号幅度均很小，一般在毫伏级水平，容易受到各种信号干扰。在传感度均很小，一般在毫伏级水平，容易受到各种信号干扰。在传感器后面使用了低通滤波器和由运放器后面使用了低通滤波器和由运放MCP6001构成的放大器，将构成的放大器，将信号放大了信号放大了330倍，同时采用分压电
