基于AD8232和MLX90615的心電與體溫測量系統設計*

孫旭東， 張 躍

(1.清華大學 深圳研究生院 信息科學與技術學部，廣東 深圳 518055； 2.清華大學 深圳研究生院 嵌入式系統與技術實驗室，廣東 深圳 518055)

0 引 言

心電和體溫作為反映人體生理狀況的重要信息，已經得到人們高度的關注和重視，對心電和體溫進行快捷測量和長期監護已成為越來越多人的需求。目前，市場上將心電和體溫集成在一起的測量儀器還比較罕見。

已有的心電監護設備主要分為兩類：一類是以電腦為顯示和處理平臺的監護儀，這種監護儀不僅體積大，而且價格昂貴，多用于醫院監護；另一類是以微處理器為核心的便攜式監護儀，集成了信號采集和顯示等功能，這類監護儀雖然體積小巧，但是功能較為單一，而且缺少網絡通信功能[1]。近年來，便攜式遠程監護設備[2]逐漸進入到市場中，這類心電監護儀通常以PDA為系統平臺[3～5]，能夠實時顯示心電波形，對數據進行簡單處理，內置小型數據庫，并通過無線通信手段將數據傳輸給醫院的遠程服務器平臺。此類手持式PDA監護儀雖然功能強大，但往往價格昂貴、應用范圍相對較窄，因此，普及到家庭中使用尚有一定難度。

紅外測溫技術作為一種快速、便捷、精確、安全的非接觸式測溫方式，近年來得到了快速發展[6]。紅外體溫計利用紅外線輻射的測量原理，實現無接觸的體溫測量，一次測量只需幾秒鐘，甚至可以在1 s內完成測量。加之紅外線對人體無害，使用安全。這些優點極大地滿足了人們對于安全快速測量體溫的要求，因此,紅外體溫計具有很好的使用價值，未來發展前景廣闊。

基于上述情況，本文設計了一種結構小巧，低功耗的心電、紅外體溫測量系統。本系統作為遠程醫療監護平臺的采集前端，可連續采集人體心電信號，多次測量人體體溫，并將測量數據通過藍牙實時發送給用戶手機或配有藍牙的電腦等終端設備，再通過這些終端上的3G，Internet等通信網絡將數據發送給遠程服務器進行分析和診斷。本文詳細介紹了系統的軟硬件解決方案，重點闡述了基于AD8232生物電傳感器的心電采集模塊和基于MLX90615紅外溫度傳感器的體溫測量模塊的設計方案，并對系統進行了測試。

1 心電與體溫測量系統的組成

心電與體溫測量系統主要由處理器、電源模塊、心電采集模塊、紅外體溫測量模塊、藍牙、按鍵等組成，如圖1所示。

圖1 心電與體溫測量系統架構

處理器通過A/D接口對心電信號進行轉換，通過通用輸入輸出管腳(GPIO)模擬SMBus總線與紅外溫度傳感器進行通信。藍牙模塊通過串口(UART)與處理器進行交互，實時發送測量數據。利用處理器的外部中斷響應按鍵操作，用于啟動和停止測量。

2 心電與體溫測量系統硬件設計

2.1 電源模塊設計

系統中處理器、心電傳感器、紅外溫度傳感器和藍牙模塊的供電電壓均為3.3 V，因此，電源模塊需為系統提供3.3 V電源。采用4.2 V鋰電池進行供電，使用一片低壓差線性穩壓器RT9193將電池電壓轉換為3.3 V供電電壓。

2.2 處理器模塊

本系統的處理器選用Cortex-M3內核處理器LPC1758，該處理器功耗低，占用空間小，非常適合于小型嵌入式系統的開發和應用，其工作頻率最高可達100 MHz，內置高達512 kB的閃存和64 kB的SRAM，豐富的增強型I/O端口和連接到2條APB總線的外設[7]。該處理器包含4個UART，8 通道12位A/D接口、4個通用定時器、1個外部中斷接口、多達70個GPIO管腳，部分GPIO管腳可以產生中斷[8]。本系統使用標準JTAG接口進行程序調試和下載，處理器晶振頻率為12 MHz。

2.3 心電采集模塊電路設計

通過在人體皮膚表面放置電極來檢測生物電信號，可以得到心電數據。心電信號采集模塊采用AD8232生物電傳感器為核心芯片。AD8232 是一種用于心電圖及其他生物電測量應用的集成信號調理模塊，3.3 V單電源供電，內置導聯脫落檢測電路，采用雙極點高通濾波器來消除運動偽像和電極半電池電位，采用一個無使用約束運算放大器來創建一個三極點低通濾波器，消除了額外的噪聲，內置一個放大器，用于右腿驅動(RLD)電路應用，包含一項快速恢復功能，可以減少高通濾波器原本較長的建立長尾現象[9]。AD8232的功能框圖如圖2所示。

圖2 AD8232功能框圖

本系統采用單導聯方式測量心電數據，在人體皮膚表面放置2個電極來采集生物電位差，為抑制共模干擾，設計了右腿驅動電路來驅動第3個電極。心電信號是微弱的生物電信號，幅值僅為0.5～5 mV，因此,需將原始心電信號進行放大才能滿足處理器對A/D轉換電壓的需求。AD8232內部儀表運放(IA)的放大倍數固定為100倍，配置OPA(A1)放大倍數為4倍，因此，心電信號放大倍數為400倍，并將心電信號偏置電壓REFIN設計為 3.3 V/2=1.65 V。 配置0.3Hz的雙極點高通濾波器和37 Hz的雙極點低通濾波器，能夠有效濾除干擾，保留了心電數據的主要信息，獲得失真最小的心電波形。AD8232的信號輸出端與處理器的A/D接口相連，導聯脫落檢測端接入處理器的GPIO引腳。

2.4 體溫測量電路設計

本系統采用MLX90615—DAA紅外溫度傳感器測量人體體溫。此種傳感器專為醫療檢測設計，內部集成了紅外傳感器，低噪聲運算放大器，16位ADC，FIR/IIR濾波器和高性能DSP單元，輸出溫度分辨率達到0.02 ℃，符合醫療檢測標準[10]。

MLX90615支持PWM和SMBus兩種通信方式，本設計采用SMBus的方式與處理器進行通信，紅外體溫測量電路如圖3所示。SMBus是一種二線制的同步串行總線，由1條時鐘線和1條數據線組成，主機為通信提供同步時鐘。由于處理器LPC1758沒有標準的SMBus總線，因此，使用2個GPIO管腳模擬SMBus總線的通信協議，處理器作為通信主機，而MLX90615作為從機。圖3中SCL引腳為SMBus總線通信提供同步時鐘，SDA引腳為數據線。

圖3 MLX90615電路圖

2.5 藍牙電路設計

本系統采用BF10—A藍牙模塊實現藍牙通信，該模塊支持藍牙2.0協議，通過UART接口與處理器進行數據通信，設計了LED燈指示藍牙連接狀態，藍牙模塊電路如圖4所示。該模塊支持多種接口波特率，能夠記憶配對地址，可以方便地和手機、電腦等終端設備建立通信。

圖4 藍牙模塊電路

3 心電和體溫測量系統軟件設計

心電、體溫測量系統軟件包含3個主要部分：主程序，定時器中斷子程序，外部中斷子程序。系統為心電數據和體溫數據分別開辟數據緩沖區，主程序循環檢測數據緩沖區中是否有新的測量數據，一旦數據緩沖區中有新數據，則立即啟動藍牙進行發送，發送完成后重置數據緩沖區，等待新數據。系統主程序流程圖如圖5所示，系統初始化包括系統時鐘配置、中斷配置、外設總線初始化以及GPIO引腳配置等初始化設置。

系統采用定時器中斷方式讀取心電采集數據，心電采集頻率為400 Hz。將定時器中斷頻率設置為400 Hz，即每隔2.5 ms進入一次定時器中斷讀取A/D轉換數據，并將數據存入心電數據緩沖區。定時器中斷子程序流程如圖6所示。

圖5 主程序流程圖

圖6 定時器中斷子程序流程圖

系統采用按鍵觸發外部中斷的方式啟動紅外體溫測量，在外部中斷子程序中啟動SMBus總線讀取MLX90615的原始測量數據Data，并根據公式T=Data×0.02-273.15計算人體體溫，將最終得到的人體體溫T存入體溫數據緩沖區中。外部中斷子程序流程圖如圖7所示。

圖7 外部中斷子程序流程圖

4 測試結果

4.1 心電采集測試

系統使用心電信號模擬發生器進行測試，該心電信號發生器可以模擬產生標準心電信號，圖8為采集到的AD8232信號輸出端口輸出的原始心電波形，此波形輪廓清晰，消除了大部分的高頻、工頻干擾和肌電干擾，但仍伴有基線漂移和一定頻率的噪聲。將心電信號通過藍牙傳輸到電腦上，在電腦上進行軟件濾波后的心電波形如圖9所示，該波形較平滑，主要特征明顯，濾除了基線漂移和噪聲干擾。由此可見，采用硬件濾波為主，軟件濾波為輔的方法可以從干擾環境中采集到微弱的生物電信號[1]。因此，可在手機、電腦等接收終端中加入軟件濾波以獲取更高質量的心電波形。

圖8 原始心電波形

圖9 軟件濾波后心電波形

4.2 紅外體溫測量測試

系統以人體不同部位的皮膚表面為測量對象，對紅外體溫測量模塊進行了測試，并與熱電偶的測量結果做了對比[6]，測試結果如表1所示。

表1 人體皮膚表面溫度測量結果

由測量結果可以看出:MLX90615的溫度測量結果與熱電偶的溫度測量結果非常接近，且測量速度僅為ms級，有著很好的應用前景。

4.3 系統功耗測試

本文對系統功耗做了兩種情況的測試，如表2所示：1#為開啟心電采集和藍牙通信時系統輸入電壓、電流測試，2#為在第一種情況的基礎上啟動體溫測量時系統輸入電壓、電流測試。

表2 系統功耗測試

由測試結果可以看出：系統電流一般維持為55 mA，啟動體溫測量時可達到60 mA。因此，使用1 600 mAh的鋰電池即可維持24 h以上的心電采集和體溫測量，滿足了對人體生理狀況長時間持續監護的功耗要求。

5 結 論

本文設計的基于AD8232生物電傳感器和MLX90615紅外溫度傳感器的心電、體溫測量系統，充分利用了現代微處理器系統技術和生物傳感器技術的特點和優點，不僅體積小、功耗低、集成度好，而且測量準確、快捷，并采用了當前在各類終端上普遍應用的藍牙短距離無線通信技術。本系統為面向個人健康監護的典型應用，適用于各種醫用和家用環境，有著很好的發展前景和廣闊的提升空間。

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[10] Melexis Corporation．MLX90615[DB/OL].[2010—10—12].http:∥www.future electronics.com/doc/MELEXIS/MLX90615SSG-DAA.pdf.