可穿戴式心率傳感器模塊的優(yōu)化應(yīng)用*

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(1.清華大學(xué)，北京 100084；2.湖北文理學(xué)院；3.鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院運(yùn)動與健康研究所)

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，包括電子傳感器在內(nèi)的各類芯片[1-3]都朝著小型化、低成本、低功耗的方向發(fā)展，為智能化運(yùn)動負(fù)荷檢測設(shè)備的發(fā)展提供了硬件平臺，也為便攜式智能設(shè)備的發(fā)展提供了生長的土壤?？纱┐魇诫娮觽鞲衅鲗⑷梭w的生理活動信號轉(zhuǎn)變成可視的電信號，在臨床診斷、健康評估、健康監(jiān)控等領(lǐng)域擁有很大的應(yīng)用潛力[4-6]，而心率是評價人體運(yùn)動負(fù)荷的客觀指標(biāo)，是制定和安排運(yùn)動量的科學(xué)依據(jù)。在運(yùn)動中，準(zhǔn)確的測量心率對更好地評價運(yùn)動負(fù)荷和運(yùn)動效果具有重要的意義。

1 可穿戴式心電、心率傳感器

傳統(tǒng)的心電信號采集設(shè)備是由分立元件為主組成的，包括儀表放大器、運(yùn)算放大器、濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、電阻電容等。多年來，這樣的設(shè)備被廣泛運(yùn)用于臨床，但是由于設(shè)備體積大、功耗大，應(yīng)用環(huán)境受到一定的限制，而可穿戴式心電信號采集裝置大大減小了體積和功耗[7-9]，所以研究用于心電信號采集的專用集成電路，成為近年來的一個熱點(diǎn)。

電子技術(shù)的發(fā)展使心電傳感器的性能得到快速提升，集成化、數(shù)字化程度越來越高。表現(xiàn)出以下幾個顯著的特點(diǎn)：①硬件上從分立元件到小規(guī)模集成電路，再到高集成度的多功能集成電路；②信號方面從模擬信號輸出向數(shù)字信號輸出發(fā)展；③在信號傳送方面從有線向無線方向發(fā)展。另外在功耗和穩(wěn)定性方面也有顯著的改進(jìn)。BMD101可穿戴式心率、心電傳感器是近年推出的具有代表性的傳感器芯片。該心電傳感器的一個顯著特點(diǎn)是雙電極(去掉了常規(guī)心電傳感器必需的右腿驅(qū)動電極)，而且功耗極低，有利于連續(xù)、長時間地監(jiān)控應(yīng)用。然而，在實際應(yīng)用中，常會遇到設(shè)計效果不夠理想的狀況，針對這個問題，本文重點(diǎn)討論BMD101心電傳感器的優(yōu)化應(yīng)用以及BMD101心電模塊設(shè)計中的關(guān)鍵點(diǎn)，試圖為使用者提供參考。

2 BMD101心電模塊的優(yōu)化應(yīng)用

2.1 BMD101心電傳感器芯片

圖2 用BMD101設(shè)計心電采集小系統(tǒng)的原理框圖

微電子技術(shù)的創(chuàng)新、應(yīng)用和發(fā)展，將芯片的高性能、高集成度、小型化、智能化進(jìn)一步提高，BMD101是Neurosky的心電傳感器，在一個芯片上高度集成了心電采集前端和數(shù)字信號處理單元，其耗電0.8 mA，內(nèi)置1.2 V穩(wěn)壓器LDO，采用SON8封裝，芯片尺寸為3 mm×3 mm×0.6 mm，還具有二極管靜電保護(hù)、4 kV接觸放電、8 kV隔空放電特性，有利于做成可穿戴的嵌入式設(shè)備[10-11]。

BMD101心電傳感器芯片自帶集成模擬前端放大器、50 Hz陷波器、100 Hz低通濾波器。DSP數(shù)字信號處理器加速了片上系統(tǒng)管理單元的各種數(shù)字濾波的計算時間。此外芯片還有傳感器脫落自動檢測和16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器。芯片每秒恒定輸出513幀數(shù)據(jù)，其中512幀為數(shù)據(jù)幀，第513幀則是一個多信息組合幀，這一幀有22個字節(jié)，包含了當(dāng)前信號的質(zhì)量、計算出的每分鐘心率值等多種信息。

2.2 BMD101的PC客戶端演示軟件

Neurosky提供了一個BMD101心電傳感器的PC客戶端演示軟件，默認(rèn)的數(shù)據(jù)通道是通用串行接口，在不具備串行接口的PC機(jī)上可以用USB轉(zhuǎn)串口的方式實現(xiàn)硬件串行接口通道。由BMD101心電傳感器采集的心電實時數(shù)據(jù)通過串行接口數(shù)據(jù)通道以特定的格式傳送到PC計算機(jī)，就能在計算機(jī)屏幕上顯示圖1所示的波形。

圖1 在PC計算機(jī)上顯示的心電波形

遺憾的是多數(shù)用戶雖然使用Neurosky提供的PC客戶端軟件，并不能很容易地獲得圖1這樣理想的心電波形，究其原因，主要集中在硬件設(shè)計的各個環(huán)節(jié)上，而不是芯片自身。解決這個問題的關(guān)鍵是要根據(jù)BMD101心電傳感器的特點(diǎn)，有針對性地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期獲得較好的應(yīng)用效果[8]。

2.3 BMD101心電傳感器模塊的優(yōu)化應(yīng)用

BMD101心電模塊的應(yīng)用設(shè)計與幾個關(guān)鍵點(diǎn)密切相關(guān)，處理不當(dāng)有可能無法采集到正常的心電數(shù)據(jù)[2]。下面以心電采集信號實時發(fā)送給PC計算機(jī)的一個微系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用為例，探討模塊的優(yōu)化應(yīng)用方法。圖2是運(yùn)用BMD101心電傳感器設(shè)計的一個小系統(tǒng)的原理框圖。

用BMD101設(shè)計心電采集小系統(tǒng)的原理框圖分為幾個單元：第一個是以BMD101為核心的心電采集單元；第二個是數(shù)據(jù)通信與隔離單元；第三個是電源供給與隔離單元。以上幾個單元實現(xiàn)了心電采集與PC計算機(jī)在空間上的隔離，同時又完成了心電采集與PC計算機(jī)二者之間的數(shù)據(jù)通信，在很大程度上排除了PC計算機(jī)對心電采集系統(tǒng)的干擾。

2.3.1 從PC機(jī)USB端口取電的方法和抗干擾措施

PC計算機(jī)的USB端口除了作為數(shù)據(jù)通道之外，還可以提供5 V/0.5 A的電源給用戶使用，在圖3中，IC3是一個可編程電流限制芯片，通過調(diào)節(jié)R7的阻值，能夠?qū)崿F(xiàn)控制0～0.5 A范圍內(nèi)的供電電流上限，以保護(hù)功率過電流和因外圍短路損壞PC計算機(jī)的USB供電回路。芯片上集成有過溫保護(hù)和關(guān)機(jī)時輸出電容放電保護(hù)，在輸出高于輸入電壓時，SY6280自動關(guān)機(jī)，以阻止電流從輸入端到輸出端。

圖3 USB端口供電限流保護(hù)與電源隔離

F0505S是一個能夠?qū)C 5 V變?yōu)镈C 5 V的小型隔離電源，既解決了用戶系統(tǒng)的供電問題，又防止了PC機(jī)的系統(tǒng)干擾串入用戶系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，直接用筆記本內(nèi)的直流電源供電，效果會比普通兼容機(jī)和品牌機(jī)都要好。F0505S具有可持續(xù)短路保護(hù)功能，效率高達(dá) 83%，隔離電壓為1500 V DC 。

2.3.2 通過USB端口向PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的抗干擾措施

圖4中，PC計算機(jī)的USB端口除了5 V電源之外，還可以提供一個數(shù)據(jù)通信通道給用戶使用，同樣，為了在空間上與PC計算機(jī)隔離，這里使用了ADUM4160芯片，以確保從用戶系統(tǒng)傳送給PC機(jī)的數(shù)據(jù)純凈度。ADUM4160將高速CMOS的工藝與芯片級變壓器技術(shù)相結(jié)合，具有優(yōu)異的工作性能，并且隔離電壓為5 kV，高共模瞬變抗擾度大于25 kV/μs。

圖4 USB數(shù)字信號隔離

2.3.3 心電電極的選擇與應(yīng)用

圖5 心電電極的使用

Neurosky對心電傳感器電極片推薦不銹鋼和氯化銀材質(zhì)，傳感器電極片的最小直徑為5 mm，建議傳感器電極片的直徑為10 mm。實際應(yīng)用中電極片大于10 mm效果更好，也可以選擇醫(yī)用心電圖電極，如圖5所示。

傳統(tǒng)的心電電極片大多基于金屬材料，其便攜性、柔韌性和可穿戴特性較差，從防震和運(yùn)動應(yīng)用的角度出發(fā)，建議選擇柔性織物心電電極，這種電極已經(jīng)是POLAR微型心率傳感器模塊的標(biāo)配[3,11,12]。隨著柔性電子材料和傳感技術(shù)的快速發(fā)展，柔性織物心電電極片是一個優(yōu)化的解決方案，越來越受到人們的關(guān)注，如圖6所示。

圖6 柔性織物心電傳感器電極

柔性織物心電電極表面柔軟，導(dǎo)電性能較好，最大的特點(diǎn)是在運(yùn)動中與人體的接觸面吻合度好，尤其在大量出汗的情況下效果更佳。

2.3.4 BMD101心電傳感器在PC端用戶軟件的編程

Neurosky提供的客戶端演示軟件，不但實時顯示心電信號波形，還能顯示心率數(shù)值和心電信號質(zhì)量、診斷電極脫落等，為用戶診斷傳感器模塊提供了很好的條件，但是卻沒有提供與用戶程序的銜接端口供用戶二次開發(fā)。

初期實驗中，將BMD101心電傳感器每秒512幀的心電采集數(shù)據(jù)源同時送往兩臺計算機(jī)。其中一臺計算機(jī)運(yùn)行Neurosky客戶端演示軟件，在另一臺計算機(jī)上運(yùn)行用戶自編程序。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同一數(shù)據(jù)來源下，兩臺計算機(jī)上顯示的圖像效果差異較大[7]，用戶程序直接將BMD101的心電數(shù)據(jù)送到顯示屏顯示，形成的圖像遠(yuǎn)達(dá)不到應(yīng)用層面。

進(jìn)一步深入研究和對比發(fā)現(xiàn)，在Neurosky客戶端演示軟件中嵌入了一個1009個數(shù)據(jù)組成的核心數(shù)據(jù)包，通過串行接口傳送來的當(dāng)前心電數(shù)據(jù)，在送往顯示屏繪圖顯示之前，需要調(diào)用這個1009的核心數(shù)據(jù)包，經(jīng)過運(yùn)算后最終會生成一個新的心電圖像素點(diǎn)。這1009個數(shù)據(jù)的核心數(shù)據(jù)包，具有較高的科技含量，是Neurosky公司針對BMD101心電傳感器的特點(diǎn)研發(fā)的一個成果。參考應(yīng)用的軟件數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。

圖7 參考應(yīng)用的軟件數(shù)據(jù)處理流程圖

2.3.5 BMD101的無線數(shù)據(jù)通信[1,3,8]

BMD101心電傳感器模塊的優(yōu)化應(yīng)用是基于有線數(shù)據(jù)通信的，采取優(yōu)化應(yīng)用的措施，可以確保心電采集數(shù)據(jù)的精度和穩(wěn)定性。從可穿戴的角度考慮，還可以采用無線方法實現(xiàn)?；贐MD101心電傳感器無線發(fā)送模塊的原理框圖如圖8所示。

圖8 BMD101心電模塊無線應(yīng)用框圖

系統(tǒng)使用了無線發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，傳輸過程無需線纜介質(zhì)，不受端口和連接線路約束，從根本上解決了PC機(jī)對BMD101心電傳感器的串?dāng)_。無線通信方式可以選用WiFi、ZigBee、IrDA、UWB、藍(lán)牙等。另一方面，無線設(shè)計中需要增加單片機(jī)和電池供電，在PC計算機(jī)一方，還需要搭建一個無線接收平臺[10-11]。

結(jié) 語