便攜式低功耗心電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：心電圖是檢測心臟健康與否的重要指標(biāo)之一，常規(guī)心電圖機(jī)較難在心臟疾病早期發(fā)現(xiàn)異常，因而需要通過長期的心電監(jiān)測來保證心臟健康。但是，容易受到電池容量、電子器件體積等瓶頸限制，低功耗、便攜式心電圖儀是長期心電監(jiān)測的技術(shù)關(guān)鍵。本文使用低功耗器件ADS1293配合CC2541 ，實(shí)現(xiàn)了便攜式低功耗心電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

引言

　　本文通過對人體心電信號的各項(xiàng)主要特征和實(shí)際檢測需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套便攜式低功耗心電監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過嵌入內(nèi)衣穿戴的心電采集模塊，采集人體心電信號，并通過無線藍(lán)牙數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將信號發(fā)送至iPAD終端，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、顯示，從而達(dá)到人體心電遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。

1 系統(tǒng)方案

1.1 總系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　便攜式低功耗心電監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功耗越低，穩(wěn)定性越高，對穿戴了產(chǎn)品病人監(jiān)測效果越好。因此本產(chǎn)品著力考慮功耗低、穩(wěn)定性、集成性高的芯片。圖1為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)硬件部分主要由ADS1293前端采集模塊采集人體微弱的心率信號，并通過適當(dāng)?shù)姆糯?、濾波來提取有用的心電信號。無線發(fā)送模塊，采用TI公司帶有專利8051核的CC2541進(jìn)行心電信號數(shù)據(jù)的傳輸。電源模塊，利用TPS61220進(jìn)行升壓。iPAD終端對無線發(fā)送模塊發(fā)送過來的心電信號接收，并利用濾波和心率算法對心電信號進(jìn)行處理，最終將信號顯示在屏幕上。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 心電信號采集模塊

　　ECG信號是一種低頻率的微弱雙極性信號，信號頻率主要分布在0.05Hz~150Hz，幅度為10μV~4mV，其典型為1mV，此外ECG信號中往往還混有其他的生物電信號，加上體外的50Hz工頻干擾，儀器內(nèi)部噪聲和儀器周圍電場、磁場、電磁場干擾等。上述因素使得心電噪聲比較強(qiáng)，為采集和測量帶來了一定的困難。

　　本設(shè)計(jì)以TI公司推出ADS1293為核心進(jìn)行開發(fā)。ADS1293是TI公司推出，一款用于生物電勢測量的集成式三通道模擬前端，具有功耗低、噪聲小特點(diǎn)，適用于心電監(jiān)測。

　　ADS1293從IN1~IN6共有6個(gè)輸入引腳，全部輸入引腳都包含一個(gè)EMI來濾除射頻噪聲。該模塊采用5導(dǎo)聯(lián)連接方式。RA、LA、LL分別連接IN1、IN2、IN3引腳，利用共模探測器取得RA、LA、LL的平均電壓作為右腳驅(qū)動(dòng)放大器的輸入，右腳驅(qū)動(dòng)放大器的輸出端返回到RL端，一起從IN4引腳輸出。WCT的輸出連接到IN6引腳，與連接到IN5引腳的V1胸電極一起作為CH3通道的差分信號的輸入。

　　通過儀用放大器對輸入的差分信號進(jìn)行放大，將輸出信號送到∑△調(diào)制器把差分模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到低通數(shù)字濾波器中，即可得到編碼后的數(shù)字信號輸出。信號的輸出采用SPI通信協(xié)議，將編碼后的數(shù)字信號輸出到下一模塊。

1.2.2 無線發(fā)送模塊

　　將心電信號采集模塊采集到的信號，通過該模塊發(fā)送到終端設(shè)備上。該模塊以TI公司的CC2541為核心。CC2541 將領(lǐng)先 RF 收發(fā)器的出色性能和一個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型 8051 MCU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存存儲(chǔ)器、8KB RAM 和很多其它功能強(qiáng)大的特性和外設(shè)組合在一起。 CC2541 非常適合應(yīng)用于需要超低能耗的系統(tǒng)。 這由多種不同的運(yùn)行模式指定。 運(yùn)行模式間較短的轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)一步使能耗降低。

　　CC2541內(nèi)嵌8051核，將心電發(fā)送模塊經(jīng)編碼后的數(shù)字信號以SPI協(xié)議接收，進(jìn)行處理，再通過RF發(fā)送出去。

1.2.3 電源模塊

　　電源供電模塊給心電信號采集模塊和無線發(fā)送模塊供電。該模塊采用TI公司TPS61220進(jìn)行設(shè)計(jì)。TPS61220是一款具有5.5mA的靜態(tài)電流低輸入電壓、0.7V升壓轉(zhuǎn)換器。TPS61220采用6引腳SC-70封裝，可在低負(fù)載條件下保持極高的效率?？蛇M(jìn)一步延長本系統(tǒng)基于低功耗的微處理器的設(shè)計(jì)方案的電池使用壽命。在5V輸出電壓時(shí)，輸出電流高達(dá)50mA，并使系統(tǒng)的鋰離子電池放電電壓低于2.5V。