基于藍(lán)牙低能耗PSOC的心電圖穿戴裝置設(shè)計(jì)

熊揚(yáng)成，許武軍，2，于　浩

(1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620； 2.教育部數(shù)字化紡織服裝技術(shù)工程研究中心，上海 201620)

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基于藍(lán)牙低能耗PSOC的心電圖穿戴裝置設(shè)計(jì)

熊揚(yáng)成1，許武軍1，2，于浩1

(1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620； 2.教育部數(shù)字化紡織服裝技術(shù)工程研究中心，上海 201620)

摘要：當(dāng)今心臟病發(fā)病率越來越高，為了更好地采集和研究心電信號(hào)，介紹了一種基于藍(lán)牙低能耗(BLE)PSOC的心電圖(ECG)穿戴裝置的設(shè)計(jì)。該穿戴裝置通過非接觸式電勢(shì)集成電路(EPIC)采集心電信號(hào)，經(jīng)過模擬前端(AFE)信號(hào)調(diào)理電路，由智能藍(lán)牙可編程片上系統(tǒng)(PSOC 4BLE)對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步處理，通過智能藍(lán)牙(Smart Bluetooth)將心電圖數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄芤苿?dòng)終端的應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)顯示。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙低能耗；心電圖；可編程片上系統(tǒng)；穿戴裝置

引用格式：熊揚(yáng)成，許武軍，于浩. 基于藍(lán)牙低能耗PSOC的心電圖穿戴裝置設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(13)：90-91,94.

0引言

目前,世界上心臟病的死亡率在因病死亡人數(shù)中不斷提升，心臟疾病被越來越多的人關(guān)注和重視。由于心臟病具有病情隱蔽、發(fā)病危險(xiǎn)性高的特點(diǎn)，它對(duì)心臟病患者的危害性極大。對(duì)心血管疾病的研究一直是醫(yī)學(xué)界的一個(gè)重要研究課題，尤其是對(duì)心電的研究。心電信號(hào)中帶有大量的有關(guān)心臟狀態(tài)的信息，而且心電信號(hào)可以在人體表面無損害地被檢測(cè)出，不會(huì)給病人造成任何損害。心電圖機(jī)所記錄的常規(guī)心電圖，可以反映心臟活動(dòng)的變化，是心血管疾病診斷的重要手段。但是，心律失常發(fā)生的概率相對(duì)較低，而常規(guī)心電圖記錄時(shí)間很短，因此往往難以捕獲。例如一些心律失常的病人，其心律失常發(fā)生的頻率非常低，出現(xiàn)時(shí)間也毫無規(guī)律，需要相當(dāng)長(zhǎng)的連續(xù)觀察才有捕獲的可能。因此需要一種能夠?qū)崟r(shí)記錄并分析心臟活動(dòng)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[1]，對(duì)患者進(jìn)行監(jiān)護(hù)，及時(shí)對(duì)心臟的異常活動(dòng)作出判斷，以便醫(yī)生及時(shí)診斷和治療。

利用心電圖(ECG)等有關(guān)心電活動(dòng)的曲線和圖形資料為臨床提供診斷信息，是心血管病不可缺少的檢查診斷方法。心電是一種生物電，而生物電是生命最重要的特征之一。將智能穿戴式技術(shù)應(yīng)用于心臟疾病監(jiān)護(hù)領(lǐng)域[2]，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)生理健康指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且還具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)ECG系統(tǒng)的研究由來已久，然而隨著時(shí)代的進(jìn)步，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)以及系統(tǒng)的集成技術(shù)都發(fā)生了革命性的改變，因此ECG系統(tǒng)也相應(yīng)地有了很大改變。

1ECG穿戴裝置總體設(shè)計(jì)

EGC穿戴裝置由模擬前端(AFE)、主控平臺(tái)(PSOC 4BLE)、智能移動(dòng)終端三部分組成。如圖1所示。

圖1　ECG穿戴裝置組成

2穿戴裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1模擬前端(AFE)

模擬前端主要由生物傳感器PS25255、儀表放大器AD8221、電阻、電容構(gòu)成，完成信號(hào)采集和初步處理。PS25255是Plessey公司研發(fā)的非接觸式電勢(shì)集成生物傳感器(Electric Potential Integrated Circuit,EPIC)，具有超高的輸入阻抗、干接觸電容耦合、適合的截止頻率(200 mHz和20 kHz)等特點(diǎn)。

2.2主控平臺(tái)

主控平臺(tái)的主要工作是進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并通過自身集成的低功耗藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)終端。EPIC采集到的心電信號(hào)含有很多噪聲，包括[2-5]：

(1)基線漂移，由電極移動(dòng)、人體呼吸等低頻干擾所引起，頻率小于5 Hz。

(2)肌電干擾，由于人體活動(dòng)、肌肉緊繃等原因所引起的干擾，其頻率范圍廣。

(3)工頻干擾，是由公共電網(wǎng)以及各種用電設(shè)備產(chǎn)生的固定頻率的干擾，頻率為50 Hz。

(4)運(yùn)動(dòng)偽跡，由電極移動(dòng)引起的短暫基線改變，這是動(dòng)態(tài)心電記錄中由于人體移動(dòng)或抖動(dòng)產(chǎn)生的不可避免的干擾。其持續(xù)時(shí)間為100～500 ms，幅度可達(dá)記錄放大器滿輸出，即所謂的躍變干擾。

為了得到理想的心電信號(hào)，必須對(duì)EPIC采集到的心電信號(hào)進(jìn)行濾波。EPIC傳感器輸出的心電信號(hào)幅值為10 mV，需要將其放大到V級(jí)別才能進(jìn)一步處理。要想實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸和存儲(chǔ)，模數(shù)轉(zhuǎn)換是必須的。

無論是濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換，還是ARM微控制器、藍(lán)牙傳輸，將通過一塊可編程芯片完成，本設(shè)計(jì)選用賽普拉斯(Cypress)的PSOC 4BLE。

PSOC 4BLE有非常豐富的模擬和數(shù)字塊資源，本裝置將使用到的資源有：4個(gè)運(yùn)放(分別用作兩路二階低通濾波，1個(gè)右腿電路，1個(gè)差分放大)、1個(gè)SAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(10位)、微控制器(ARM Cortex-M0)、1個(gè)低功耗藍(lán)牙(BLE)。具體配置見圖2。

圖2　PSOC 4BLE資源配置圖

3穿戴裝置軟件設(shè)計(jì)

圖3　主控平臺(tái)軟件流程圖

PSOC Creator是一個(gè)專門用于PSOC3、PSOC4、PSOC4BEL、PROC BLE和PSOC5LP等系列產(chǎn)品進(jìn)行硬件和應(yīng)用固件開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境，其綜合了通常使用的基于文本語(yǔ)言的編程方式和基于圖形化編輯語(yǔ)言的編程方式。PSOC Creator使用的第一步是根據(jù)用戶需要，自行選擇芯片集成的模擬和數(shù)字資源模塊，只需將需要的模塊拖至原理圖即可，然后將各模塊按輸入輸出實(shí)際情況連接(還可以加上片外電阻電容等)。接下來只需要設(shè)置好芯片實(shí)際對(duì)應(yīng)的引腳，PSOC Creator即可以根據(jù)系統(tǒng)豐富的API函數(shù)生成用戶自己的工程。用戶只需要編寫自己的main函數(shù)即可，當(dāng)然如果需要，用戶也可以自行編寫API函數(shù)。PSOC Creator提供了豐富的API函數(shù)，又可以讓使用者創(chuàng)建自己的庫(kù)函數(shù)，極大地提高了設(shè)計(jì)效率和靈活性，使用起來非常方便實(shí)用。主控平臺(tái)軟件流程圖如圖3。

4智能移動(dòng)終端

穿戴裝置的智能移動(dòng)終端平臺(tái)采用Android平臺(tái)[4]，顯示應(yīng)用程序可自行開發(fā)定制，也可以使用Cypress公司提供的CySmart1.1安卓端應(yīng)用程序。使用CySmart需要對(duì)BLE模塊進(jìn)行相關(guān)配置，如GATT role、GAP role，本設(shè)計(jì)中應(yīng)將PSOC 4BLE端GATT配置為server，而GAP role設(shè)置為peripheral。相應(yīng)地，智能移動(dòng)終端作為GATT client，GAP role為central device。然后對(duì)所要添加的服務(wù)(service)的特征(characteristic)和描述(descriptor)進(jìn)行配置。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為智能移動(dòng)終端應(yīng)用程序CySmart，可以看到圖中顯示的ECG正是搜索到的PSOC 4BLE搭載的BLE設(shè)備，PSOC 4BLE作為GATT server將采集到的心電數(shù)據(jù)傳輸給GATT client的數(shù)據(jù)庫(kù)GATT DB，即智能移動(dòng)終端。

圖4　智能移動(dòng)終端應(yīng)用程序

6結(jié)論

本文提出了一種將智能穿戴式技術(shù)應(yīng)用于心臟疾病監(jiān)護(hù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)生理健康指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本裝置使用了可編程片上系統(tǒng)(PSOC 4BLE)，利用

其豐富的片上模擬數(shù)字資源，使濾波、差分放大、A/D轉(zhuǎn)換，甚至數(shù)據(jù)無線傳輸都在一塊小小的芯片上完成，這樣既可以大大降低穿戴設(shè)備的功耗，又可以減小設(shè)備的體積。可編程片上系統(tǒng)在穿戴設(shè)備上的應(yīng)用將會(huì)越來越多。值得注意的是，若要將本裝置做成產(chǎn)品，模擬前端和主控平臺(tái)必須要做在一塊PCB板上，則藍(lán)牙天線的布局需要特別注意，既要將產(chǎn)品體積做小，又不能影響產(chǎn)品性能。

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中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.13.029

(收稿日期：2016-03-14)

作者簡(jiǎn)介：

熊揚(yáng)成(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)，可編程片上系統(tǒng)，C++軟件開發(fā)。

許武軍(1972-)，通信作者，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：智能服裝與穿戴系統(tǒng)，短距無線通信，嵌入式計(jì)算與機(jī)器視覺，衛(wèi)星導(dǎo)航與組合定位。E-mail:wujun.hsu@gmail.com。

于浩(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)，控制理論與工程。

Design of ECG wearable device based on PSOC BLE

Xiong Yangcheng1,Xu Wujun1,2,Yu Hao1

(1.College of Information Science & Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China;2.Engineering Research Center of Digitized Textile & Fashion Technology, Ministry of Education,Shanghai 201620, China)

Abstract:With the higher and higher morbidity of cardiopathy,studying of heart disease is going on. In order to improve the acquisition and study of electro cardio signal, this paper introduces a design of Eletro Cardio Graph(ECG) wearable device based on Programmable System On Chip(PSOC) Bluetooth Low Energy(BLE). The electro cardio signal acquisition of the device is done by the non-contact electric potential integrated circuit(EPIC).The signal go through the anolog front end signal processing circuit,then it will be futher processed by the PSOC 4BLE.The processed electro cardio signal is sent to smart mobile terminal by smart bluetooth integrated in PSOC chip.We can see the ECG in a special application.

Key words:BLE;ECG;PSOC;wearable device