藍牙心電采集終端的設計與實現

劉照陽，舒明雷，孔祥龍，單 珂，趙 凱

(1.齊魯工業大學(山東省科學院)山東省計算中心(國家超級計算濟南中心) 醫學人工智能重點實驗室，山東 濟南 250014；2.齊魯工業大學(山東省科學院)電氣工程與自動化學院，山東 濟南 250353)

0 引言

心臟類疾病具有突發性和高危險性，患者需要進行有效監護才能及時發現并處理病情。而現階段醫護用心電(electrocardiogram,ECG)監護設備存在價格昂貴、移動性差的不足[1-3]。因此，研發一種經濟、便攜、操作方便的心電監護終端迫在眉睫。近年來，嵌入式技術的飛速發展為開展這類研究提供了良好的技術條件。

本文設計了一款基于ADS1298的藍牙心電采集終端。以TM4C123GH6PM為核心控制芯片，設計了硬件電路；結合電路濾波以及無限脈沖響應(infinite impulse response，IIR)、有限脈沖響應(finite impulse response，FIR)數字濾波技術，實現了軟件功能。該藍牙心電采集終端通過藍牙技術進行交互，實現了心電數據傳輸。

1 系統總體架構

本文的硬件電路以TI公司模擬前端ADS1298芯片和低功耗32位單片機TM4C123GH6PM為核心，輔以藍牙、SD卡、液晶顯示屏等相關外設，以及電源電路、單片機復位電路、USB接口電路等外圍電路。

系統前端采集傳感器捕捉、獲取人體電信號。信號經過ADS1298進行數據處理然后發送至主控芯片。通過對主控芯片相關接口和寄存器配置，實現心電信號的顯示、存儲以及藍牙數據傳輸。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2 系統硬件設計

2.1 MCU主控模塊

TM4C123GH6PM是德州儀器公司生產的32位微處理器，具有高效的信號處理及浮點運算功能，同時集成了高級運動控制的脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)和正交編碼器接口(quadrature encoder interface，QEI)功能，USB及 CAN2.0等通信功能，精密模擬信號處理功能(如模擬比較器和12位模數轉換器)，并且延續了Cortex-M處理器低功耗、低成本和易使用的優點。

控制器功能框圖如圖2所示。由圖2可知，該控制器提供了廣泛的應用能力和外設支持，包括一個工作頻率為80 MHz的ARM Cortex-M4F微處理器內核、系統控制及外設、多種內部存儲器、模擬比較器及高速模擬數字轉換器(analog-to-digital converter，ADC)，同時還集成了聯合測試工作組(joint test action group，JTAG)標準測試協議和串行線調試接口。除此之外，該控制器還包括一個專用的單精度浮點運算單元(float point unit,FPU)，大大增強了其信號處理能力。

圖2 控制器功能框圖

2.2 前端采集模塊

本文采用TI公司的ADS1298芯片作為心電信號采集前端。該芯片是一款8通道24位模數轉換器的集成芯片，具有8個低噪聲可編程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)和8個高分辨率ADC，每個通道功率僅為0.75 mW，輸入偏置電流為200 pA，共模抑制比為-115 dB，數據傳輸速率在250 SPS～32 kSPS范圍可調[4-7]。芯片內置右腿驅動放大器，威爾遜中心終端(Wilson central terminal，WCT)以及起搏信號檢測電路等，可持續進行導聯脫落的檢測，具有集成的呼吸阻抗測量以及數字起搏信號檢測功能[8-10]。

2.3 藍牙模塊

藍牙模塊選用低功耗CC2541芯片。該芯片優化了2.4 GHz的應用功率，集成了射頻(radio frequency，RF)收發器、增強型8051微控制單元(microcontrol unit，MCU)、系統內可編程閃存存儲器、8 KB的RAM及其他外設。本設計選用該芯片，實現了與外部設備的交互，通過藍牙端口對接，進行心電數據傳輸。

2.4 電源模塊

該系統使用內置電池供電，設計充電電路，通過USB接口提供5 V電壓為電池充電。由于主控芯片、采集前端、外圍電路所需的供電電壓不同，所以要采用電壓轉換芯片為不同模塊提供相應的供電電壓。

在設計中具體采用3.8 V的充電電池供電，選用芯片BQ24090進行充電電路設計，選取TPS73201穩壓芯片分別為主控芯片及部分采集前端電路提供3.3 V及2.5 V的供電電壓，利用芯片TPS60403將電壓反轉，選取TPS72301為采集前端電路提供-2.5 V的供電電壓。

3 系統軟件設計

3.1 主控模塊軟件

本設計軟件部分按照不同外設劃分為不同模塊，初始化配置、相應外設寄存器及功能均在相應模塊中定義。主控模塊根據功能需求通過不同接口進行模塊的調用，其流程如圖3所示。

圖3 主控模塊流程圖

主控模塊通過串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)接口對ADS1298進行采集模塊的參數配置以及相關功能指令的收發，從而控制心電數據的采集、處理。數據處理完成后，使用通用異步收發傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)接口接收；按需求協議格式保留心電數據，并調用LCD液晶顯示模塊實時顯示心電波形。由于心電數據量過大，本設計中配有SD卡模塊對數據進行存儲。主控芯片通過SPI接口對SD卡進行初始化配置以及數據的存儲與提取。另外，主控芯片通過UART接口配置藍牙模塊，按照通用藍牙協議與外部設備交互。

3.2 采集模塊軟件

采集模塊上電后，首先進行初始化配置，包括外部的參考電壓、功能寄存器配置以及讀寫指令等功能函數定義。配置完成后進行數據的讀取、處理、傳送，導聯脫落檢測以及QRS算法檢測等流程。

在數據讀取時，通過定時器設定每250 μs產生的中斷來獲取8個通道中心電樣本點，采樣頻率為500 SPS。通過中斷服務例程(interrupt service routine，ISR)發送相應指令，在所選傳輸通道中獲取24位心電數據，這些數據在壓縮至20位后分別依次進行IIR濾波以及FIR濾波處理。其中，每個相同通道的數據讀取間隔為2 ms。在讀取數據的同時，會發出導聯脫落檢測信號，獲取各通道導聯狀態位。該狀態位與濾波處理數據一同進行QRS檢測后，通過串口發送至主控芯片。采集模塊流程如圖4所示。

圖4 采集模塊流程圖

3.3 藍牙傳輸軟件

藍牙模塊流程如圖5所示。

圖5 藍牙模塊流程圖

本系統藍牙軟件設計采用狀態機模式，通過AT指令來配置不同參數、編寫指令以實現相應功能，根據狀態反饋判斷進程，從而進入不同功能節點。本設計完成對藍牙寄存器及功能初始化定義后，依次對藍牙名稱、配對密碼、波特率(文中默認波特率為115 200 bit/s)進行設置。按要求設置成功后，會有等待連接請求。只有配對請求通過，才可調用數據發送指令完成數據傳輸。

4 測試結果與分析

對本設計心電采集終端進行全面的功能測試，使用藍牙將心電數據傳送至上位機，并通過上位機顯示相應的心電波形。

4.1 心電模擬器測試

連接心電模擬器進行心電信號波形測試。圖6為模擬輸出正常成人心率為60次/min時的心電波形。其中：增量為10 mm/mV;心電圖走紙速度為25 mm/s。

圖6 心電波形(心率60次/min)

4.2 人體心電測試

按照12導聯心電電極連接方法連接人體測試，圖7分別為不同測試者心電波形。其中：增量為10 mm/mV;心電圖走紙速度為25 mm/s。

圖7 心電波形(不同測試者)

對比測試心電波形可知，基準寬度下降后的波形幅值大于原波形幅值的75%。該信號輸出幅值差異標準滿足國標YY-1079-20084.2.8.8中輸入信號的重建準確度。

5 結束語

目前，對于便攜式心電設備，有許多種系統設計方案和軟件算法，用于實現對人體遠程心電數據的釆集、傳輸及實時分析。本文設計的藍牙心電采集終端具有體積小、功耗低的特點，用戶操作簡單，攜帶使用方便，能夠為廣大心臟疾病患者提供及時、便捷的醫療幫助。