摘 要：設(shè)計(jì)了一款基于藍(lán)牙技術(shù)的可穿戴式心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用BMD101 SoC作為核心控制單元，集成了低成本的藍(lán)牙透?jìng)髂＝M，通過(guò)模擬前端濾波電路和電路板模數(shù)分離的設(shè)計(jì)，最大限度地抑制噪聲干擾。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)采集的心電信號(hào)穩(wěn)定可靠，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，單次連續(xù)運(yùn)行時(shí)間可以穩(wěn)定超過(guò)24 h。此外，該系統(tǒng)還具備成本低、體積小、續(xù)航久的特點(diǎn)，充分滿足了可穿戴式無(wú)線心電監(jiān)測(cè)的需求，能夠有效實(shí)現(xiàn)日常健康數(shù)據(jù)的記錄與追蹤。

關(guān)鍵詞：BMD101；心電監(jiān)測(cè)；藍(lán)牙通信；模擬前端電路；模數(shù)分離；PC上位機(jī)

中圖分類號(hào)：TP274.2；R318.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）03-00-04

0 引 言

在當(dāng)今數(shù)字化和智能化潮流的推動(dòng)下，無(wú)線可穿戴式心電監(jiān)測(cè)設(shè)備已成為醫(yī)療、康復(fù)和健康管理領(lǐng)域的熱門研究方向。本文致力于設(shè)計(jì)和研發(fā)一款基于藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)的可穿戴式心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以滿足日益增長(zhǎng)的健康監(jiān)測(cè)需求。

盡管目前已有眾多基于BMD101 SoC開發(fā)的心電監(jiān)測(cè)設(shè)備[1-4]，但這些設(shè)備在體積大小、通信方式以及通信芯片功耗等方面仍存在明顯缺陷，且存在與移動(dòng)終端通信不暢的問(wèn)題。

本文深入研究硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)模擬前端濾波電路的應(yīng)用和電路板模數(shù)分離的設(shè)計(jì)，有效抑制了噪聲干擾，從而顯著提高了心電信號(hào)的采集質(zhì)量。此外，系統(tǒng)采用可充電電路設(shè)計(jì)，旨在最大程度地延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，使長(zhǎng)時(shí)間地佩戴和監(jiān)測(cè)成為可能。在數(shù)據(jù)通信方面，引入了低成本的藍(lán)牙透?jìng)髂＝M，平衡性能和成本的同時(shí)，又能滿足與移動(dòng)終端穩(wěn)定連接的需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)不僅在心電信號(hào)采集質(zhì)量方面表現(xiàn)出色，而且具有成本低、體積小、續(xù)航能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)備單次連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)超過(guò)24 h，能夠滿足用戶對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，適用于無(wú)線心電監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)康復(fù)和日常健康記錄等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。

在當(dāng)前可穿戴技術(shù)蓬勃發(fā)展的時(shí)代背景下，本文提出的基于藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)的可穿戴式心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為推動(dòng)醫(yī)療健康技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)了一份力量。本文通過(guò)對(duì)硬件和無(wú)線傳輸技術(shù)的綜合優(yōu)化，旨在為未來(lái)可穿戴醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

基于藍(lán)牙的可穿戴式心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)的硬件構(gòu)成分為兩大部分：采集發(fā)送部分以及PC數(shù)據(jù)接收部分。采集發(fā)送部分包含鋰電池充電電路、LDO線性降壓電路、BMD101心電采集處理電路、藍(lán)牙串口透?jìng)靼l(fā)送電路等；PC數(shù)據(jù)接收部分包含藍(lán)牙串口透?jìng)鹘邮针娐芬约癠SB轉(zhuǎn)串口電路等。

將Ag-AgCl電極貼片采集到的人體心電信號(hào)送入BMD101 SoC內(nèi)部進(jìn)行處理[5]。BMD101 SoC對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、計(jì)算等一系列處理后，輸出心率以及心電信號(hào)，并通過(guò)串口的方式傳送至藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊再將心率以及心電數(shù)據(jù)傳輸至PC數(shù)據(jù)接收端。PC數(shù)據(jù)接收端接收數(shù)據(jù)后，PC上位機(jī)對(duì)接收到的心率以及心電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。此外，得益于藍(lán)牙通信的方式，心率數(shù)據(jù)以及R-R間隔也可通過(guò)手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

1.2 采集模塊設(shè)計(jì)

BMD101是神念科技出品的第三代生物信號(hào)檢測(cè)和處理的芯片，它具有先進(jìn)的模擬前端電路和靈活強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理結(jié)構(gòu)。

低噪音放大器和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器是BMD101模擬前端的主要組成部分[6]。BMD101具有極低的系統(tǒng)噪聲和可控增益，因此可以有效地檢測(cè)到生物信號(hào)并使用16位高精度ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器把它們轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。模擬前端還包含一個(gè)檢測(cè)感應(yīng)器脫落的電路。模擬前端示意圖如圖2所示。

BMD101 SoC電路如圖3所示。

在設(shè)備使用過(guò)程中，可能會(huì)受到靜電干擾，靜電能夠通過(guò)裸露在外的電極貼片侵入BMD101 SoC應(yīng)用電路，從而導(dǎo)致系統(tǒng)電路受到損害。因此在兩個(gè)電極貼片上接入雙向ESD防靜電保護(hù)管進(jìn)行電路保護(hù)。

1.3 電源管理設(shè)計(jì)

為滿足可穿戴、便攜等需求，本系統(tǒng)采用3.7 V鋰電池供電的解決方案。在電池充電管理方面，采用上海南麟電子出品的XT4052芯片。XT4052 是一個(gè)完善的單片鋰離子電池恒流/恒壓線形電源管理芯片，適用于單電池鋰離子電池。XT4052的ThinSOT封裝和低外部組件數(shù)量使其非常適合便攜式應(yīng)用。XT4052電路如圖4所示。

在恒流模式下充電時(shí)，PROG引腳電壓伺服至1 V，即VPROG=1 V。使用以下公式計(jì)算充電電流：

IBAT=×1 000 （1）

充電電流的大小可隨RPROG的變化而改變，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，RPROG的大小設(shè)定為3 kΩ，則其充電電流約為333.3 mA。

1.4 線性穩(wěn)壓設(shè)計(jì)

由于BMD101 SoC的供電電壓為3.3 V，因此還需要設(shè)計(jì)線性穩(wěn)壓電路，將鋰電池的電壓轉(zhuǎn)化為所需的3.3 V供電電壓。本系統(tǒng)采用了南京微盟公司出品的ME6211C33R5G線性穩(wěn)壓芯片，ME6211系列是高精度、低壓差、低噪聲的CMOS LDO穩(wěn)壓器，具有低輸出噪聲、高紋波抑制率等特點(diǎn)。ME6211C33R5G電路如圖5所示。

1.5 藍(lán)牙通信設(shè)計(jì)

藍(lán)牙通信模塊采用HLK-B40，其是海凌科電子研發(fā)的一款BLE5.1主從一體藍(lán)牙串口透?jìng)髂K。通過(guò)該模塊，各類配備串口的設(shè)備能夠輕松且快速地實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)[7]。HLK-B40藍(lán)牙通信電路如圖6所示。

1.6 PC數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)

PC數(shù)據(jù)接收模塊采用了CH340N USB轉(zhuǎn)串口芯片和HLK-B40藍(lán)牙芯片，旨在實(shí)現(xiàn)靈活且高效的數(shù)據(jù)傳輸。該模塊的核心是CH340N芯片，作為USB轉(zhuǎn)串口的橋梁，該芯片確保了模塊可以通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)建立穩(wěn)定的串口通信。

在硬件設(shè)計(jì)方面，規(guī)劃CH340N和HLK-B40芯片之間的串口連接，實(shí)現(xiàn)了USB與串口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。其中，USB接口與計(jì)算機(jī)連接，而藍(lán)牙芯片則通過(guò)串口與其他采集設(shè)備進(jìn)行通信。為確保模塊的穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電路并增設(shè)數(shù)據(jù)接收指示燈，以反映模塊的工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 PC上位機(jī)應(yīng)用程序

PC上位機(jī)應(yīng)用采用MATLAB GUI進(jìn)行設(shè)計(jì)，具備心電波形展示和心率計(jì)算的功能。用戶可以通過(guò)直觀的圖形界面實(shí)時(shí)觀察采集到的心電波形，通過(guò)波形圖了解心電信號(hào)的形態(tài)和變化。同時(shí)，該應(yīng)用提供了便捷的操作界面，使用戶能夠通過(guò)放大、縮小等功能更詳細(xì)地查看心電波形，方便對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行深入分析，PC上位機(jī)心電波形圖如圖7所示。

在心率計(jì)算方面，該應(yīng)用通過(guò)對(duì)心電波形的處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心率的即時(shí)計(jì)算。通過(guò)以下公式計(jì)算心率[8]：

心率=" " （2）

式中：R-R間隔是相鄰兩個(gè)波峰之間的時(shí)間間隔。該時(shí)間間隔可以通過(guò)計(jì)算采樣頻率 fs 和波峰時(shí)間點(diǎn)的差值得到：

R-R間隔=（波峰時(shí)間n-波峰時(shí)間n-1）" " " " "（3）

通過(guò)對(duì)多個(gè)相鄰波峰間隔取平均，可以得到更穩(wěn)定的心率估計(jì)值?；诓蓸宇l率，通過(guò)有效地利用相鄰波峰的時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心率的準(zhǔn)確估計(jì)。

2.2 Android上位機(jī)應(yīng)用程序

Android上位機(jī)應(yīng)用程序采用Android Studio進(jìn)行開發(fā)[9]，同時(shí)采用低功耗藍(lán)牙技術(shù)，能夠直接與心電信號(hào)采集設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。該應(yīng)用專注于顯示R-R間隔和心率，為用戶提供了便捷且直觀的生理監(jiān)測(cè)體驗(yàn)。手機(jī)APP界面如圖8所示。

通過(guò)低功耗藍(lán)牙連接，應(yīng)用程序與心電信號(hào)采集設(shè)備之間建立了穩(wěn)定的通信鏈路。這種連接方式不僅能夠確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，而且有效降低了能耗，從而使用戶能夠在不消耗過(guò)多系統(tǒng)電量的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)心臟活動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。

3 測(cè)試與分析

3.1 外觀設(shè)計(jì)

為提供全面的保護(hù)和功能性，利用三維制圖軟件SolidWorks對(duì)系統(tǒng)外殼進(jìn)行3D設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，考慮到了模塊中各個(gè)部分的布局和連接，確保了外殼的高貼合度和穩(wěn)固性。外殼上預(yù)留了必要的接口和開口，既保障了其與模塊內(nèi)部元件的順暢連接與通信，也確保了外部操作部件的靈活使用。系統(tǒng)整體尺寸為：72.136 mm ×19.939 mm×13.71 mm，整體外觀如圖9所示。

3.2 硬件測(cè)試

硬件測(cè)試的結(jié)果充分展現(xiàn)了所設(shè)計(jì)模塊在各項(xiàng)核心性能指標(biāo)上的卓越表現(xiàn)。電路性能測(cè)試驗(yàn)證了電路的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，各傳感器在模擬信號(hào)采集方面展現(xiàn)出了高度的準(zhǔn)確性和靈敏度。系統(tǒng)的心電信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)大，能夠有效濾除工頻噪聲等干擾因素。功耗測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下均能夠維持低功耗水平，滿足長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的需求。系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下，功耗低至10 m·A，若采用300 mA·h的電池進(jìn)行供電，系統(tǒng)單次工作時(shí)長(zhǎng)可超過(guò)24 h。

3.3 軟件測(cè)試

在軟件測(cè)試中，對(duì)PC上位機(jī)和Android上位機(jī)應(yīng)用進(jìn)行了全面的驗(yàn)證，系統(tǒng)展現(xiàn)出卓越的性能和穩(wěn)定性。PC上位機(jī)方面，通過(guò)MATLAB GUI精心打造的用戶界面，不僅實(shí)現(xiàn)了心電波形的直觀展示，還確保了心率計(jì)算的精確無(wú)誤。安卓上位機(jī)則借助Android Studio平臺(tái)，利用低功耗藍(lán)牙技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了便捷的移動(dòng)端監(jiān)測(cè)，能夠?qū)-R間隔和心率等數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)顯示。在性能測(cè)試方面，PC上位機(jī)和Android上位機(jī)應(yīng)用均展現(xiàn)出了高效的數(shù)據(jù)處理能力和響應(yīng)速度，確保了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果顯示，PC和安卓上位機(jī)應(yīng)用在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中能夠保持良好的穩(wěn)定性，并具備異常情況下的自主恢復(fù)能力。

3.4 系統(tǒng)測(cè)試

在整體系統(tǒng)測(cè)試中，采用徐州銘昇電子科技有限公司出品的心電信號(hào)模擬儀SKX-2000C+對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，分別將RA、LA電極與設(shè)備主機(jī)連接，設(shè)置心電信號(hào)模擬儀的心率數(shù)值。測(cè)試結(jié)果表明，所得波形質(zhì)量良好，無(wú)明顯失真，且能夠清晰地呈現(xiàn)出心電信號(hào)的P波、Q波及T波特征[10]。系統(tǒng)測(cè)試連接圖如圖10所示，測(cè)試結(jié)果見表1。

測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)在心電信號(hào)的心率解析方面，誤差范圍極小，最大誤差僅為1 bpm。表明該系統(tǒng)在心率解析上具有高度的準(zhǔn)確性，符合最初的設(shè)計(jì)要求與目標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)精心設(shè)計(jì)采集硬件，并整合了PC上位機(jī)和Android上位機(jī)應(yīng)用，成功構(gòu)建了一款基于藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)的可穿戴式心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在硬件層面，對(duì)各模塊進(jìn)行全面驗(yàn)證，確保了電路穩(wěn)定、傳感器靈敏，同時(shí)利用低功耗藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高效傳輸。在軟件層面，PC上位機(jī)和Android上位機(jī)應(yīng)用均通過(guò)了全面的功能測(cè)試、性能測(cè)試、穩(wěn)定性測(cè)試以及安全性評(píng)估。該系統(tǒng)不僅有著高度的靈活性，還具備體積小、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)橛脩籼峁├硐氲娜粘＝】倒芾肀O(jiān)測(cè)方案。

注：本文通訊作者為徐建。

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