关于战场环境下“电子伤员寻找及生命监测系统”中卫生员手持设备的设计

作者：焦纯杨国胜王健琪李洪义朱新亚

【关键词】 伤员搜寻

关键词: 伤员搜寻;单片机;无线通信;微功耗

0 引言

新型的电子伤员寻找及生命监测系统能够使战场医务人员及时了解伤员的准确位置、伤情和休克的危急程度，以便在伤后短时间内实施分类、优化救治与后送;可以鉴定已死亡的士兵，避免将抢救队派到敌对环境，造成不必要的伤亡.在复杂的战场环境下，即使伤员失去知觉，卫生员也能凭借它迅速准确地找到他们，从而节省了宝贵的救治时间，有效地提高战场伤员生存率.

1 卫生员手持设备的系统结构

“电子伤员寻找及生命监测系统”主要由卫生员手持设备和单兵佩带设备两部分组成.其中单兵佩带设备是由非侵入性生理传感器、信息处理机、低功率无线电收发机组成的微型装置.

卫生员手持设备系统又可以分为单片机部分和PC机部分.单片机部分由电源控制模块、中央控制模块、数据存储模块、键盘和显示接口模块、无线收发模块、串行通信模块等组成.PC机部分主要包括数据读写程序、通信程序、数据库管理程序等.

为适合野外作业，卫生员手持设备要体积小和功耗低.在不影响系统功能的情况下，尽量采用低功耗和小体积的电

基金项目: 军队基金资助项目（96M099）路设计是本系统的重点和难点.图1是该设备的组成.

图1 系统结构略

2 硬件系统

2.1 低功耗设计 低功耗是系统设计中的重要问题.由于CMOS电路具有极微小的静态功耗、极易控制的动态功耗和良好的电源管理特性，因此本系统中全部使用了CMOS集成电路.CMOS电路的功耗管理原则是最大限度地减少系统运行中的平均功耗，实现零功耗的追求目标.根据CMOS电路的功耗特性，对系统实施“多干少耗、少干微耗、不干不耗”的优化.

具体通过以下几个方法实现系统的低功耗设计:在不影响电平匹配的情况下，尽量采用低电压如3V供电的外围器件.使用具有自关断或外关断功能的元器件.如本系统中用于串行通信的MAX3221［1］ ;采用CMOS单片机，使时钟工作在较低频率上，在能满足系统要求下，把时钟频率定在6MHz.同时在系统不工作时使单片机处于休眠状态;对CMOS电路进行防异常功耗设计.如对CMOS电路的悬空输入端实施终接;控制程序对硬件系统的精细管理.如MCU低功耗运行的最佳管理;可关断器件的端口控制;系统的唤醒值守;认真分析系统运行中的有效运行时空占空比，寻求最小时、空占空比的任务安排.

2.2 中央控制模块 由于系统包括了常用单片机系统的各个功能，同时基于对性能和成本的综合考虑，我们选择了与MCS-51系列兼容的单片机系统 LG半导体公司的GMS97系列中的GMS97L52，该单片机具有8K EPROM，256字节RAM，2.7V供电等特性.GMS97L52与INTEL的89C52，ATMEL公司的AT89C52在功能上完全相同，具有极好的通用性和兼容性.由于它还是一次性的可编程OTP版本，因而具有保密性强、成本低的突出优点.

GMS97系列单片机与INTEL的MCS-51［2］ 系列完全兼容，在控制程序设计和程序读写上没有任何区别.在实验过程中采用ATMEL公司的AT89C52替代GMS97L52来进行调试.GMS97L52具有3个计数器和6个中断源，非常适合本系统中资源使用比较集中的应用环境.

2.3 电源控制模块 综合考虑卫生员手持设备的功耗和体积两方面的要求，同时为与单兵手持设备中无线收发模块的电平匹配，我们选择了3V电池作为系统的整个供电电源.MAX856是一种高效、DC-DC直流泵升电路，对电池供电的电路尤其适合，在100mA时具有85%的转换效率.在关断模式下，仅有1μA的功耗.具有低电压监测功能，通过MAX856的电压提升，使系统方便地实现了3V和5V两种电压方式的供电，同时此电路还有电源管理的作用，实现了总线分布式电源系统. 图2 电源控制电路略

2.4 键盘和液晶显示接口 键盘和液晶显示接口在本系统中是最重要的人机界面.键盘采用4×4行列式键盘，工作在行扫描方式.由于P0口不带数据缓冲，而把键盘直接接在P1或P3口上会极大地占用宝贵的I/O口资源.这里采用了81C55扩充I/O口，81C55作为常用的I/O口扩展芯片，不仅能够为单片机系统扩充足够的I/O口，而且其片内还包括256字节的RAM和一个14位计数器.能为单片机系统扩充宝贵的系统资源.系统中液晶显示选用的是由HD61202控制的128×64点阵图形液晶.

由单片机的P2.7和P2.6分别连接/CSA和/CSB，选通HD61202（1）和HD61202（2），E使能引脚由单片机的RD和WR与非后选通，D/I和R/W信号线分别连接P0.0和P0.1，这种连接方法可以节省两根地址线.此时HD61202（1）的写指令地址为#7000H，写数据地址为#7001H，读数据地址为#7003H，读状态地址为#7002H.

2.5 数据存储模块 为了使数据存储量足够大且数据不易丢失，我们选用了Xicor公司的X84系列存储器.

该存储器是能与大多数微处理器直接接口的串行EEP- ROM，具有标准的芯片使能、输出使能和写使能信号控制引脚.具有一些普通EEPROM不具备的特点:无需I/O口，无需接口连接逻辑，无需并行至串行转换器，最高达10MHz的数据传输率，提供无等待读操作，低功率（工作电流<1mA，等待电流<1μA），10万次擦写次数，硬件写保护等.

本系统中，由该存储器组成的数据存储模块无须任何连接和译码逻辑，多个存储器芯片可以级连在一起，使存储空间远远超过单片机常规的64K寻址空间.

2.6 无线通信模块 无线通信模块是卫生员手持设备中的数据收发部分.它包括无线数据收发、接收强度指示和定向天线三个部分.

在便携式设备的无线数据收发时，如何以尽量小的功耗来获得最大的发射距离是设计的关键.因而采用现成的小体积封装和低功耗的无线收发芯片是最合适的选择.RFM公司的收发集成芯片RX1000和HX1000是专为小体积和低功耗应用而设计的，均有完整的信号发生和信号调制电路.

由于RX1000的2引脚可以根据实际接收强度的不同输出不同幅度的电平.因此可采用A/D器件来采样RX1000的2引脚，以此来精确判断搜寻伤员时某一方向上接收强度的大小.在有效的搜寻范围内，采样后得到的接收强度越大，伤员就越有可能在此方向上，从而准确确定伤员的寻找方向.

在此，我们选用了TI公司的10位串行A/D芯片TLV1549［1］ ，该器件体积小，占用单片机口线少，转换速度适中，完全能满足本系统的要求.图3是TLV1549与单片机接口的原理图.

图3 A/D电路接口略

3 讨论

卫生员手持系统作为“电子伤员寻找及生命监测系统”的一个重要组成部分，在实际应用中取得了较好的效果.它作为卫生员一级的信息采集和处理平台，能够在野外作业时完成伤员定位、伤员生理参数传输、伤员数据查询、分类建库以及后续的数据库管理等操作.它与单兵佩带的腕带式生理数据采集传输设备结合在一起，为我军在战时伤员搜寻方面提供了一个可行的解决方案.

参考文献:

［1］王子章，王长龙.串行模数转换器TLC1549在心脏监护仪中的应用［J］.1999;25（9）:66-67.

［2］何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术［M］.北京:航空航天大学出版社，1999:54-149.