心電采集

龐智明　侯啟家　廖文龍　李杰成　湯建明

[摘要]心電信號是一種重要的人體信號，心電圖能夠反映多種生理狀態(tài)，在如今日益增長的健康需求下，人們越來越注重對自身狀況的監(jiān)控：可穿戴設備的興起和智能手機的普及，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APP進行心電監(jiān)測，主要是利用無線方式，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)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用電池供電，使用無線連接APP。用電極采集人體，使得整個系統(tǒng)的安全性很高而不需要太多額外的保護措施。一定程度上節(jié)約了成本；得益于系統(tǒng)采用低功耗藍牙進行無線數(shù)據(jù)傳榆和片上微處理器，系統(tǒng)相對的小巧，同時也更為符合節(jié)能低耗的要求，一定程度上適應了可穿戴設備的低功耗需求，該系統(tǒng)將具有更廣泛的應用價值。

[關鍵詞]心電監(jiān)測；可穿戴設備；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)明了用弦線電流計測試心電，取得重大突破以來，心電圖的檢測已有百年的發(fā)展。心電圖獲取由最初使用弦線電流計的方法不斷發(fā)展，又產生了心電向量圖、動態(tài)心電圖等一系列新的心電圖檢測方法：檢測設備也從傳統(tǒng)的醫(yī)用的大型心電圖記錄儀，家用心臟BP機，擴展至到如今基于Pc的多導聯(lián)心電圖儀和便攜式的動態(tài)心電圖儀器：目前，可穿戴設備等正逐步興起，家庭健康監(jiān)護的概念也日漸深人人心，使得心電圖領域的理論和設備不斷的豐富，不斷的變得更為貼近于平常人。

2系統(tǒng)方案設計

2.1系統(tǒng)方案制定

系統(tǒng)方案制定關系到整個系統(tǒng)的運行模式以及系統(tǒng)的特點等等，因此，選取合理的方案十分重要。由于系統(tǒng)可在多個方案中進行選擇，需經(jīng)過比較和分析。可以得出的方案大致分為三種。

2.1.1系統(tǒng)方案一

此方案中，系統(tǒng)主要分為4個部分：主控單片機，WIFI模塊，BMD101生物信號處理芯片組成的心電采集部分、和手機端，系統(tǒng)采用WIFI方式進行心電數(shù)據(jù)傳輸，當BMD101采集到心電數(shù)據(jù)，通過串口將其上傳至主控單片機，單片機將數(shù)據(jù)存于內存，然后再由單片機的另一串口發(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，最后在手機端APP對數(shù)據(jù)進行解析，得到心電數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以波形的形式顯示出來。

2.1.2系統(tǒng)方案二

系統(tǒng)主要組成部分和方案一相似，分為四個部分，由主控單片機，BMD101生物信號處理芯片、手機端和傳統(tǒng)藍牙無線透傳模塊組成。與方案一相似，數(shù)據(jù)經(jīng)生物信號處理芯片采集后。通過串口傳至單片機，再由單片機驅動傳統(tǒng)藍牙模塊與手機進行配對并對獲得的數(shù)據(jù)進行發(fā)送，手機接收數(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)由三個部分組成，分別是：手機端、由CC2540構成的低功耗藍牙4.0處理節(jié)點和BMD101生物信號處理芯片組成的心電采集部分。在這個方案中，數(shù)據(jù)通過生物信號處理芯片BMDl01經(jīng)過串口傳送至CC2540，再通過其片內的藍牙4.0射頻部分將數(shù)據(jù)直接傳出至手機端，手機端與CC2540進行連接后獲得數(shù)據(jù)并進行波形的顯示。

2.2系統(tǒng)方案的選定

三個方案中，方案一和方案二使用串口模塊，使得必須使用獨立的單片機，從而增加了整個系統(tǒng)的成本：而WIFI協(xié)議和傳統(tǒng)藍牙協(xié)議相比低功耗藍牙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，生物芯片BMD101作為心電采集前端連接電極，手機端APP作為用戶終端。

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

3系統(tǒng)硬件設計

3.1系統(tǒng)藍牙發(fā)送節(jié)點電路設計

由于藍牙發(fā)送節(jié)點是系統(tǒng)的服務端，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處理芯片組成，控制器端則由CC2540單獨構成，藍牙發(fā)送節(jié)點還包括了電源系統(tǒng)，由Ⅱ的低壓降線性穩(wěn)壓器TPS77333構成，將電池電壓穩(wěn)壓至3.3V系統(tǒng)電壓對藍牙節(jié)點系統(tǒng)進行供電。

3.1.1生物信號處理芯片BMD101電路設計

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

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

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。可接多種常見心電電極。

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)壓而來的直流電壓會純凈很多，因此在電源引腳處的濾波電感使用On電阻進行了替代。同時，由于是電池供電，其輸入輸出壓降不大，開關電源在低載時效率不高，同時，電池也不會產生過大的交流電經(jīng)過人體的危險，因此本系統(tǒng)使用的是線性穩(wěn)壓而不是開關穩(wěn)壓器：為防止芯片的模擬和數(shù)字地相互干擾，應該對模擬和數(shù)字地分開，這里采用0Ω電阻對兩個地進行連接。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芯片內部有許多數(shù)字和模擬電路，下面對其內部結構進行詳細介紹。

其前端部分具有一個高通濾波器，在經(jīng)過濾波之后進入一個低噪聲放大器，該放大器可以由數(shù)字邏輯控制其增益：經(jīng)過運放將信號放大至合適的幅度之后，信號進入ADC進行轉換，ADC時鐘由內部的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)字信號信號經(jīng)過數(shù)字的帶阻濾波器和數(shù)字低通濾波器后，由內部處理出心率，同時輸出心電圖信號至串口，從輸入采集至串口輸出的整個過程如圖3所示。

[責任編輯：楊玉潔]