龐智明　侯啟家　廖文龍　李杰成　湯建明

[摘要]心電信號(hào)是一種重要的人體信號(hào)，心電圖能夠反映多種生理狀態(tài)，在如今日益增長(zhǎng)的健康需求下，人們?cè)絹?lái)越注重對(duì)自身狀況的監(jiān)控：可穿戴設(shè)備的興起和智能手機(jī)的普及，更使得人們追求便利快捷的獲取自身信息的愿望成為可能。采用智能手機(jī)APP進(jìn)行心電監(jiān)測(cè)，主要是利用無(wú)線方式，使人們能擺脫電線和傳輸線纜的束縛，更便捷的傳輸數(shù)據(jù)和監(jiān)控心電的變化。本文介紹了低功耗的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用電池供電，使用無(wú)線連接APP。用電極采集人體，使得整個(gè)系統(tǒng)的安全性很高而不需要太多額外的保護(hù)措施。一定程度上節(jié)約了成本；得益于系統(tǒng)采用低功耗藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳榆和片上微處理器，系統(tǒng)相對(duì)的小巧，同時(shí)也更為符合節(jié)能低耗的要求，一定程度上適應(yīng)了可穿戴設(shè)備的低功耗需求，該系統(tǒng)將具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]心電監(jiān)測(cè)；可穿戴設(shè)備；Android；BMDl01；CC2540

1心電圖發(fā)展概述

自1901年，由在荷蘭萊頓工作的Willem Einthoven發(fā)明了用弦線電流計(jì)測(cè)試心電，取得重大突破以來(lái)，心電圖的檢測(cè)已有百年的發(fā)展。心電圖獲取由最初使用弦線電流計(jì)的方法不斷發(fā)展，又產(chǎn)生了心電向量圖、動(dòng)態(tài)心電圖等一系列新的心電圖檢測(cè)方法：檢測(cè)設(shè)備也從傳統(tǒng)的醫(yī)用的大型心電圖記錄儀，家用心臟BP機(jī)，擴(kuò)展至到如今基于Pc的多導(dǎo)聯(lián)心電圖儀和便攜式的動(dòng)態(tài)心電圖儀器：目前，可穿戴設(shè)備等正逐步興起，家庭健康監(jiān)護(hù)的概念也日漸深人人心，使得心電圖領(lǐng)域的理論和設(shè)備不斷的豐富，不斷的變得更為貼近于平常人。

2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)方案制定

系統(tǒng)方案制定關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式以及系統(tǒng)的特點(diǎn)等等，因此，選取合理的方案十分重要。由于系統(tǒng)可在多個(gè)方案中進(jìn)行選擇，需經(jīng)過比較和分析?？梢缘贸龅姆桨复笾路譃槿N。

2.1.1系統(tǒng)方案一

此方案中，系統(tǒng)主要分為4個(gè)部分：主控單片機(jī)，WIFI模塊，BMD101生物信號(hào)處理芯片組成的心電采集部分、和手機(jī)端，系統(tǒng)采用WIFI方式進(jìn)行心電數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)BMD101采集到心電數(shù)據(jù)，通過串口將其上傳至主控單片機(jī)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)存于內(nèi)存，然后再由單片機(jī)的另一串口發(fā)送指令和數(shù)據(jù)至WIFI模塊，再經(jīng)過WIFI模塊將數(shù)據(jù)傳出，最后在手機(jī)端APP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到心電數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以波形的形式顯示出來(lái)。

2.1.2系統(tǒng)方案二

系統(tǒng)主要組成部分和方案一相似，分為四個(gè)部分，由主控單片機(jī)，BMD101生物信號(hào)處理芯片、手機(jī)端和傳統(tǒng)藍(lán)牙無(wú)線透?jìng)髂K組成。與方案一相似，數(shù)據(jù)經(jīng)生物信號(hào)處理芯片采集后。通過串口傳至單片機(jī)，再由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)藍(lán)牙模塊與手機(jī)進(jìn)行配對(duì)并對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，手機(jī)接收數(shù)據(jù)，然后處理得到心電的波形圖。

2.1.3系統(tǒng)方案三

系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，分別是：手機(jī)端、由CC2540構(gòu)成的低功耗藍(lán)牙4.0處理節(jié)點(diǎn)和BMD101生物信號(hào)處理芯片組成的心電采集部分。在這個(gè)方案中，數(shù)據(jù)通過生物信號(hào)處理芯片BMDl01經(jīng)過串口傳送至CC2540，再通過其片內(nèi)的藍(lán)牙4.0射頻部分將數(shù)據(jù)直接傳出至手機(jī)端，手機(jī)端與CC2540進(jìn)行連接后獲得數(shù)據(jù)并進(jìn)行波形的顯示。

2.2系統(tǒng)方案的選定

三個(gè)方案中，方案一和方案二使用串口模塊，使得必須使用獨(dú)立的單片機(jī)，從而增加了整個(gè)系統(tǒng)的成本：而WIFI協(xié)議和傳統(tǒng)藍(lán)牙協(xié)議相比低功耗藍(lán)牙4.0協(xié)議更為耗電，并且由于CC2540為單片射頻系統(tǒng)，其不僅功耗更低，穩(wěn)定性和耐用性相比使用模塊的WIFI和傳統(tǒng)藍(lán)牙方案更為出色。因此，系統(tǒng)采用CC2540作為射頻和處理節(jié)點(diǎn)，生物芯片BMD101作為心電采集前端連接電極，手機(jī)端APP作為用戶終端。

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)藍(lán)牙發(fā)送節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

由于藍(lán)牙發(fā)送節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的服務(wù)端，是系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)核心部分，其由兩個(gè)主要部分組成，采集前端和控制器端，采集前端主要由電極和生物信號(hào)處理芯片組成，控制器端則由CC2540單獨(dú)構(gòu)成，藍(lán)牙發(fā)送節(jié)點(diǎn)還包括了電源系統(tǒng)，由Ⅱ的低壓降線性穩(wěn)壓器TPS77333構(gòu)成，將電池電壓穩(wěn)壓至3.3V系統(tǒng)電壓對(duì)藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行供電。

3.1.1生物信號(hào)處理芯片BMD101電路設(shè)計(jì)

BMDl01是神念科技的第三代生物信號(hào)檢測(cè)和處理芯片，它具有高精度的模擬前端及靈活的DSP功能。其前端由低噪的運(yùn)放和16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，并且內(nèi)部運(yùn)放具有可控增益，可以有效檢測(cè)wV至mV信號(hào)：前端還具有脫落檢測(cè)功能。

BMD101內(nèi)核具有固化DSP，能夠加速系統(tǒng)的各種數(shù)字算法。同時(shí)它還具有以下特點(diǎn)：

1）大小為3mm*3mm*0.6mm的SON8封裝。

2）64字節(jié)TX FIFO串口（57600波特率）。

3）3.3V供電，具有片上1.2V穩(wěn)壓。

4）低電流消耗?？山佣喾N常見心電電極。

BMD101使用單電源供電，為了減少噪聲，供電電路應(yīng)該盡可能的考慮到濾波因素，由于本系統(tǒng)采用電池供電，相比于交流電穩(wěn)壓而來(lái)的直流電壓會(huì)純凈很多，因此在電源引腳處的濾波電感使用On電阻進(jìn)行了替代。同時(shí)，由于是電池供電，其輸入輸出壓降不大，開關(guān)電源在低載時(shí)效率不高，同時(shí)，電池也不會(huì)產(chǎn)生過大的交流電經(jīng)過人體的危險(xiǎn)，因此本系統(tǒng)使用的是線性穩(wěn)壓而不是開關(guān)穩(wěn)壓器：為防止芯片的模擬和數(shù)字地相互干擾，應(yīng)該對(duì)模擬和數(shù)字地分開，這里采用0Ω電阻對(duì)兩個(gè)地進(jìn)行連接。為了隔離人體和器件，讓器件免收靜電沖擊，BMD101與人體接觸的部分使用了瞬變抑制二極管進(jìn)行

靜電隔離。圖2展示了電路原理。其中BD2、BD3為瞬變抑制二極管。

BMD101芯片內(nèi)部有許多數(shù)字和模擬電路，下面對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

其前端部分具有一個(gè)高通濾波器，在經(jīng)過濾波之后進(jìn)入一個(gè)低噪聲放大器，該放大器可以由數(shù)字邏輯控制其增益：經(jīng)過運(yùn)放將信號(hào)放大至合適的幅度之后，信號(hào)進(jìn)入ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，ADC時(shí)鐘由內(nèi)部的RC振蕩器提供。至此，模擬前端處理部分已經(jīng)做完。

濾波完成后，數(shù)字信號(hào)信號(hào)經(jīng)過數(shù)字的帶阻濾波器和數(shù)字低通濾波器后，由內(nèi)部處理出心率，同時(shí)輸出心電圖信號(hào)至串口，從輸入采集至串口輸出的整個(gè)過程如圖3所示。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]