具有藍牙低能耗特性的無線心率檢測器

石盼　金豪祎　孫京文

【摘 要】針對現(xiàn)有心率檢測器體積大，攜帶不便等不足，使用了TI公司的AD8232芯片，分析了如何用其提取生物電信號，采用STM32作為微控制單元處理生物電信號，最后將信號傳給顯示屏顯示波形和心率等參數(shù)，數(shù)據(jù)還可以通過藍牙進行傳輸，方便了后續(xù)手機APP開發(fā)設計。實驗結果表明，該檢測器不僅可以實時監(jiān)測人體的心電信號，而且功耗低，成本小，具備無線數(shù)據(jù)傳輸功能。

【關鍵詞】心率；檢測；STM32；低功耗；藍牙

心血管病是國民第一位死亡原因，其高發(fā)病率、高患病率、高死亡率以及高疾病負擔特點，已經(jīng)成為我國面臨的重大公共衛(wèi)生問題[1-3]。中國正面臨著越來越嚴重的老齡化，在年紀大的人群結構中心血管病的發(fā)病率也越高，加上嚴重失調(diào)的人醫(yī)比例，解決問題迫在眉睫。監(jiān)護儀是一種24小時連續(xù)監(jiān)測病人的生理參數(shù)，檢出變化趨勢，并與已知設定值進行比較，檢出變化趨勢，指出臨危情況，供醫(yī)生應急處理和進行治療的依據(jù)，使并發(fā)癥減到最少達到緩解并消除病情的目的[4-5]。本設計利用TI公司最近推出的AD8232心電信號處理芯片，配合高性價比的STM32單片機，實現(xiàn)了心電信號的采集及信號處理，檢測器使用低功耗OLED顯示屏顯示心電波形，并采用藍牙4.0傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳到電腦上位機軟件進行顯示。

1 方案設計

本次研究的心電監(jiān)護儀能實時的顯示波形，并通過藍牙將心電數(shù)據(jù)傳給上位機，在上位機上同時顯示心電波形。方案設計原理框圖如圖1所示。

整個方案可分為以下幾個模塊：

1）心電采集模塊：采用了3導聯(lián)的標準導聯(lián)I方式，在做前端心電的濾波、陷波等采用了高度集成化芯片AD8232。

2）心電信號處理模塊：采用了STM32F103做MCU，主要完成了心電數(shù)據(jù)的A/D轉換、軟件濾波、OLED顯示、藍牙傳輸。

3）藍牙傳輸模塊：采用了藍牙4.0功能的低功耗的HC-05藍牙主從一體機模塊，具有傳輸速度快、穩(wěn)定，而且功耗低的優(yōu)點。

2 硬件設計

2.1 心電采集模塊

AD8232中的儀表放大器設計用于施加增益并同時濾除近直流信號。這使得它能夠將微小ECG信號放大100倍，同時抑制高達300毫伏的電極失調(diào)。為實現(xiàn)失調(diào)抑制，應在儀表放大器的輸出端、HPSENSE和HPDRIVE之間連接一個RC網(wǎng)絡，如圖2所示。

2.2 藍牙傳輸模塊分析

本次研發(fā)選用了HC-05藍牙主從一體機模塊。HC-05是一款高性能的藍牙傳輸模塊，采用的是CSR主流藍牙芯片BC417143，支持藍牙V2.0協(xié)議標準，串口模塊工作電壓3.3伏，工作電流在配對時為30毫安，但在配對完成后在通信中電流降至8毫安，具有低功耗性能、尺寸小、抵抗干擾的能力強等優(yōu)勢。支持的藍牙帶寬寬，可以與藍牙筆記本電腦、PDA等支持藍牙2.0協(xié)議的設備進行無縫連接。HC-05主要應用于民用，包括一些汽車電子、智能家居和可穿戴式設備。如圖3所示。

3 軟件設計

STM32F103RBT6內(nèi)部集成的12位ADC是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉換器，通道多達18個，可以測量16個外部和2個內(nèi)部信號源，這些通道的A/D轉換可以單次、連續(xù)、掃描、間斷模式執(zhí)行，ADC的結果數(shù)據(jù)以左對齊或右對齊的形式保存在16位的數(shù)據(jù)寄存器中。ADC的輸入時鐘由PCLK2經(jīng)分頻產(chǎn)生，其時鐘頻率不得超過14兆赫茲。本次研發(fā)ADC模塊數(shù)據(jù)主要通過DMA（直接內(nèi)存存?。男碾姅?shù)據(jù)緩存區(qū)ECG_DATA_buf中讀取。ADC程序設計流程圖如圖4所示：

4 實驗測試

在心電采集模塊測試時將心電采集模塊上的RL、RA、LA分別與心電模擬儀RL、RA、LA通過導聯(lián)線相連，將心電采集模塊的輸出端與MCU核心板的心電模塊預留接口相連，通過OLED能正常顯示心電。如圖5所示。

如圖6所示為整體測試產(chǎn)品圖：

5 結論

針對現(xiàn)有心電監(jiān)護儀存在的不足及其實際要求，使用集成AD8232心電信號處理芯片實現(xiàn)心電的采集經(jīng)微控制器STM32處理傳到OLED顯示，并采用藍牙4.0傳輸模塊將心電信號數(shù)據(jù)上傳到電腦上位機軟件進行顯示。本次研發(fā)的心率檢測器實現(xiàn)了低功耗，便于攜帶且可以藍牙無線傳輸?shù)葍?yōu)點，將其用于實際生活中取得了較滿意的效果。

【參考文獻】

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[責任編輯：田吉捷]