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          基于ADS1298與CC2640的安卓手機心電監(jiān)護儀

          作者:孫健 張石 董冠廷 張?zhí)斐?/span> 時間:2017-12-26 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:本文介紹了一種以ADS1298和CC2640為核心器件的便攜式心電儀。該系統(tǒng)采用低功耗藍牙為通訊協(xié)議改進傳統(tǒng)便攜式心電儀,將部分功能轉(zhuǎn)移到安卓平臺上,做到了12導聯(lián)數(shù)據(jù)實時顯示,波形保存等功能。該系統(tǒng)具有低功耗、低成本的優(yōu)點,為便攜式心電穿戴設備提供了一種可靠的新方法。

          作者 / 孫健 張石 董冠廷 張?zhí)斐?/p>本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201712/373593.htm

            東北大學 計算機科學與工程學院(遼寧 沈陽 110819)

            *基金項目:東北大學第十批創(chuàng)新項目科研成果

          摘要:本文介紹了一種以為核心器件的。該系統(tǒng)采用低功耗藍牙為通訊協(xié)議改進傳統(tǒng),將部分功能轉(zhuǎn)移到平臺上,做到了12導聯(lián)數(shù)據(jù)實時顯示,波形保存等功能。該系統(tǒng)具有低功耗、低成本的優(yōu)點,為便攜式心電穿戴設備提供了一種可靠的新方法。

          引言

            近幾年,便攜式醫(yī)療設備走進人們的生活之中,逐步受到醫(yī)生和患者的青睞?,F(xiàn)在主流的便攜式心電儀雖然技術(shù)已經(jīng)成熟,但是還存在著功耗大和成本高的問題。心電儀需要具備模擬放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換等功能,加上必要的人機交互、顯示、存儲功能,使得傳統(tǒng)的便攜式心電儀必不可少地出現(xiàn)功耗和成本問題,限制了便攜式心電儀的發(fā)展。本文中所介紹的便攜式低功耗12導聯(lián)心電圖機采用了TI公司高性能、低功耗的藍牙模塊和模擬前端[1-2]。將數(shù)據(jù)通過BLE(低功耗藍牙)發(fā)送到手機進行顯示和處理[3]。相對于傳統(tǒng)方案,實現(xiàn)了低功耗、低成本。

          1 系統(tǒng)整體方案

            將模擬采集前端的采集到的心電數(shù)據(jù)通過SPI(串行外設接口)送入藍牙芯片,利用BLE傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/安卓">安卓客戶端,在安卓客戶端進行顯示和存儲。通過安卓平臺的各種接口進行離線的診查。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

          2 部分

            ADS1298芯片是TI公司設計的專門用于生物電位測量的低功耗、8通道、24位模擬前端。該芯片擁有醫(yī)療心電圖(ECG)和腦電圖(EEG)應用中通常所需的全部功能。憑借高集成度和出色性能,ADS1298能夠以大幅縮小的尺寸、顯著降低的功耗和整體成本開發(fā)可擴展的醫(yī)療儀器系統(tǒng)。根據(jù)參考電壓最低可分辨的電壓為0.286μV。用其設計電路所占用的組件數(shù)量與電路板尺寸比分立器件降低95%,功耗也比分立器件降低95%左右,3 V供電時其最大功耗僅為9.5 mW。如圖2所示,該芯片集成了內(nèi)置右腿驅(qū)動放大器、導聯(lián)斷開檢測、威爾遜中心終端、起搏檢測、測試信號等功能。在設計時可以根據(jù)實際考慮設置內(nèi)外參考電壓和時鐘,以上特性大大提升了心電采集前端的性能,降低了PCB體積。

          3 部分

            CC2640是一款面向Bluetooth Smart應用的無線MCU。此器件屬于CC26xx系列的經(jīng)濟高效型超低功耗2.4GHz RF器件。極低的有源RF 和MCU 電流以及低功耗模式流耗可確保卓越的電池使用壽命,允許采用小型紐扣電池在能源采集型應用中使用。CC2640含有一個32位ARM Cortex-M3處理器,具有豐富的外設功能集,包括一個獨特的超低功耗傳感器控制器,適用于在系統(tǒng)處于休眠模式時連接外部傳感器和/或自主采集模擬和數(shù)字數(shù)據(jù)。除此之外還有一個ARM Cortex-M0處理器單獨用于運行藍牙協(xié)議棧,與主處理器工作頻率同為48MHz,憑此架構(gòu)可改善整體系統(tǒng)性能和功耗,并釋放閃存以供用戶應用[4-6]。

            CC26xx的供電有3種方式,本文采用外部1.8~3.8V供給VDDS,VDDR電壓通過芯片內(nèi)置的DCDC生成1.7V的電壓[7]。CC26xx如果采用無線射頻功能,必須采用滿足無線協(xié)議標準精度的24MHz外部晶振,否則無法滿足無線協(xié)議標準。而為了實現(xiàn)低功耗且定時精確,需要32.768kHz的外部晶振。同時CC26xx系列的24MHz振蕩電路內(nèi)置可配置容值大小的電容陣列,可以省略24MHz外部晶振的配套電容,以降低成本和PCB面積。在藍牙天線部分,CC26xx支持的無線標準均位于2.4GHz的ISM頻段,因此需要2.4GHz的天線及對應的巴倫和阻抗匹配網(wǎng)絡電路。CC26xx支持多種天線方式,根據(jù)偏置是否內(nèi)置還是外置,以及輸出信號是差分還是單端,分為4種。本方案采用內(nèi)置差分電路。天線部分追求面積小,因此采用尺寸最小的MIFA-2.4GHz的PCB天線,如圖3所示。CC2640部分原理圖如圖4。

          4 BLE簡介

            藍牙技術(shù)發(fā)展至4.0標準包含兩個藍牙標準,是一個雙模的標準。它包含傳統(tǒng)藍牙部分和低功耗藍牙部分。相對于傳統(tǒng)藍牙,BLE(Bluetooth Low Energy)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在:傳統(tǒng)藍牙技術(shù)是一種“面向連接”的無線技術(shù),具有固定的連接時間間隔,而BLE用可變連接時間間隔,這個間隔根據(jù)具體應用可以設置為幾毫秒到幾秒不等;BLE只用3個信道做廣播信道,允許毫秒級快速建立連接,效率遠高于傳統(tǒng)藍牙的 32 個信道方式;傳統(tǒng)藍牙的工作峰值電流一般是 35mA,睡眠狀態(tài)電流是 0.01mA。而低耗能藍牙的工作峰值電流是小于15mA,睡眠狀態(tài)電流是0.004mA,顯著降低了工作電流和睡眠電流。使用低功耗藍牙可以大大降低系統(tǒng)通訊時候的功耗。

          5 軟件整體設計

            本系統(tǒng)的軟件部分分為兩部分,一部分是心電儀嵌入式的C語言編程,一部分是安卓客戶端的JAVA編程部分。在CC2640上編寫心電儀的數(shù)據(jù)收集、SPI通訊協(xié)議和藍牙發(fā)送數(shù)據(jù)的程序,在安卓平臺上編寫心電數(shù)據(jù)實時顯示、用戶交互、數(shù)據(jù)保存的程序。在編寫安卓程序的時候,考慮到心電數(shù)據(jù)量比較大而使用多線程的編寫方式,目的是進行實時顯示波形。

          6 心電儀軟件設計

            由于CC2640的特殊架構(gòu),使得CC2640擁有特殊的軟件架構(gòu),程序由APP和Stack構(gòu)成。CC2640內(nèi)置一個藍牙協(xié)議棧不需要考慮藍牙Stack編程問題,用戶只需要編寫自己的業(yè)務程序APP即可。CC2640的業(yè)務程序和藍牙堆棧之間的通訊靠ICall模塊進行。在APP中運行一個TI的操作系統(tǒng),APP中各個線程通過操作系統(tǒng)來調(diào)用CC2640的硬件。由于BLE的數(shù)據(jù)包一包攜帶位數(shù)較少我們需要在在心電監(jiān)護線程中將通過SPI得到的數(shù)據(jù)進行拆分然后封包發(fā)送出去,然后再安卓平臺進行還原。CC2640的程序流程如圖5。

          7 安卓軟件設計

            安卓程序部分主要由藍牙模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實時顯示模塊和數(shù)據(jù)保存模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)首先通過藍牙模塊接受收據(jù)然后通過BroadcasrReceiver全局監(jiān)聽每包數(shù)據(jù)是否接受成功,成功以后進行分包數(shù)據(jù)還原通過JAVA內(nèi)部多線程傳遞機制使用handle將數(shù)據(jù)傳遞給顯示模塊進行數(shù)據(jù)的實時顯示,實時顯示部分采用了MPandroidChart框架,此框架可以輕松繪制多種圖表。數(shù)據(jù)保存的模塊開啟時也要單獨開啟新線程以防止出現(xiàn)ANR導致程序退出[8]。

          8 系統(tǒng)結(jié)果

            最終顯示結(jié)果如圖6所示,當選擇change按鈕時候會切換其他導聯(lián)。選擇savetxt按鈕時會開始保存為txt形式的數(shù)據(jù)。當選擇savepicture按鈕時候會保存當前的截圖。Txt形式數(shù)據(jù)方便長時間的保存心電結(jié)果以便醫(yī)生獲得24h數(shù)據(jù),而截圖的數(shù)據(jù)能更直觀的給醫(yī)患觀察特定時刻的心電波形。保存數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示。

            本文采用了TI公司的ADS1298作為心電信號的模擬采集前端,利用CC2640將數(shù)據(jù)通過BLE傳遞到手機,提高系統(tǒng)性能的同時也減少了PCB的體積。將一部分功能轉(zhuǎn)移到手機端減低了功耗和成本。并且在安卓平臺可以實時顯示波形和切換導聯(lián),并且可以隨時隨地記錄和存儲心電信號。還可以通過安卓手機的各種接口將數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)生手中使得患者在家中也可以進行診斷。

            參考文獻:

            [1]魏厚杰,金安.ADS1298模擬前端的便攜式生理信號采集系統(tǒng)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2012,12(2):36-39.

            [2]李陽青.基于ADS1298芯片的12導心電圖儀的設計[[J].醫(yī)療裝備,2016,(18):34-35.

            [3]德州儀器公司.ADS1298R全面集成型模擬前端方案[J].世界電子元器件,2013,(01):62-62.

            [4]馬曉玉.基于STM32和藍牙4.1的便攜式心電采集分析系統(tǒng)研究[D].燕山大學,2016.

            [5]蔡露.基于Android和ARM平臺BLE4.0的手腕式計步器的設計與實現(xiàn)[D].廣西師范大學,2015.

            [6]黃越.一種便攜式動態(tài)心電監(jiān)測系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].吉林大學,2013.

            [7]曹小娜. TI全新SimpleLink MCU平臺探索無限可能[J].世界電子元器件,2017,(04):46-47.

            [8]李寧.Android權(quán)威指南[M].北京:人民郵電出版社.2011.

            本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第42頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。



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