低功耗微弱信號(hào)無(wú)線傳輸系統(tǒng)

魏建軍 蘇智祥 付饒 王振源

（1.蘇州林華通信科技有限公司研發(fā)部 江蘇省蘇州市 215505 2 西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院 陜西省西安市 710071）

1 引言

當(dāng)前社會(huì)醫(yī)療支出的費(fèi)用不斷增長(zhǎng)，無(wú)線醫(yī)療和健康監(jiān)控利用當(dāng)前已有的醫(yī)療資源，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能處理等技術(shù)，對(duì)人體實(shí)施連續(xù)監(jiān)護(hù)，開展疾病的預(yù)先檢查，實(shí)時(shí)匯報(bào)個(gè)體的生物信息。在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)病患身體特征進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，極大改善醫(yī)療環(huán)境，提高了醫(yī)療工作者的工作效率，減少了不必要的人力和資源浪費(fèi)，并且有助于實(shí)現(xiàn)醫(yī)療資源的高效率利用[1]。

實(shí)現(xiàn)無(wú)線醫(yī)療的前提是接收與傳輸來(lái)自人體的不同微弱生理參數(shù)信號(hào)，這些信號(hào)包括人體體溫、心電圖、腦電圖、肌電圖、血糖、血壓等[2]。在傳輸這些微弱信號(hào)時(shí)，目前不少產(chǎn)品采用基于Zigbee協(xié)議的傳輸，可以充分滿足低速率傳輸?shù)膽?yīng)用，在工作狀態(tài)下，ZigBee 傳輸數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)射機(jī)的功率可以低至1 毫瓦，而在不傳輸數(shù)據(jù)的情況下可設(shè)置為休眠狀態(tài)，進(jìn)一步降低功耗。但ZigBee 技術(shù)不便于與智能手機(jī)連接，而智能手機(jī)目前是與個(gè)人生活最密切的工具。當(dāng)前幾乎所有智能手機(jī)都支持藍(lán)牙通信，所以使用藍(lán)牙模塊可以方便的進(jìn)行微弱信號(hào)的無(wú)線傳輸。

2 微弱信號(hào)無(wú)線傳輸

2.1 信號(hào)放大電路

微弱信號(hào)在無(wú)線傳輸過(guò)程中既有噪聲的影響，也有外界的干擾存在，傳輸之前系統(tǒng)必須對(duì)微弱信號(hào)的幅度做放大處理以抑制噪聲，提高信號(hào)的信噪比。采集到的人體生物信號(hào)大都呈現(xiàn)為模擬信號(hào)的形式，需采用低噪聲放大器在放大信號(hào)的同時(shí)抑制噪聲的影響[3]。模擬放大芯片AD620 通過(guò)一個(gè)電阻控制放大倍數(shù)，最高可達(dá)到10000 倍，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且放大倍數(shù)容易控制[4]。AD620 的尺寸比較小，噪聲低，它的功耗低，適合對(duì)噪聲和功耗要求較高的系統(tǒng)。適合應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備中，符合低功耗微弱信號(hào)無(wú)線傳輸系統(tǒng)的需求，基于AD620 芯片設(shè)計(jì)的放大電路如圖1 所示。

其中電阻Rg 控制著放大倍數(shù)，阻值與放大倍數(shù)關(guān)系為：

反之可根據(jù)放大倍數(shù)的要求計(jì)算出電阻值，對(duì)式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到Rg 的阻值計(jì)算式為：

圖1：信號(hào)放大電路圖

圖2：藍(lán)牙傳輸電路圖

圖1 中電阻R 與電容CC、CD對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，降低混入信號(hào)中的噪聲和干擾的影響。放大后的微弱信號(hào)通過(guò)差分放大芯片AD620 的VOUT端輸出。

2.2 信號(hào)無(wú)線傳輸模塊

為了便于與智能手機(jī)進(jìn)行連接，無(wú)線傳輸采用藍(lán)牙方式，其最新版本是5.0。藍(lán)牙一般有主機(jī)和從機(jī)之分，主機(jī)在通信雙方中主動(dòng)發(fā)起連接請(qǐng)求，從機(jī)被動(dòng)響應(yīng)請(qǐng)求[5]。由于微弱信號(hào)需要傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)上，藍(lán)牙的工作模式就受到了手機(jī)藍(lán)牙的限制，此時(shí)手機(jī)為主機(jī)，微弱信號(hào)發(fā)射端為從機(jī)并且實(shí)現(xiàn)從機(jī)到主機(jī)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)[6]。在采用安卓系統(tǒng)的藍(lán)牙API 中，存在著兩種鏈路：異步無(wú)連接和同步面向連接。異步無(wú)連接為數(shù)據(jù)單向傳輸，而同步面向連接為數(shù)據(jù)雙向傳輸，但其只能用于普通的語(yǔ)音傳輸[7]。藍(lán)牙在同步面向連接時(shí)是全雙工工作模式，可以解決上述問(wèn)題。雖然同步面向連接鏈路只支持8K 單聲道音頻數(shù)據(jù)傳輸，但對(duì)信號(hào)的傳輸來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠[8]。本文微弱信號(hào)無(wú)線傳輸系統(tǒng)采用的AC6905A 藍(lán)牙集成芯片，通過(guò)Android 底層設(shè)置使其工作在同步面向連接模式下，電路原理如圖2 所示。

圖3：電源供電電路圖

圖4：充電電路圖

圖5：硬件電路板

電路中的Signal 信號(hào)連接差分放大電路輸出端，送入藍(lán)牙芯片的MIC 輸入端。電容C8 和電阻R7 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除高頻干擾，電容C9 除去信號(hào)中的直流分量。LED1 表明電路的工作狀態(tài)。在傳輸電路中，指示燈存在慢閃、常亮和快閃共三種狀態(tài)。慢閃代表藍(lán)牙正在等待連接，常亮表示藍(lán)牙建立連接成功，快閃代表藍(lán)牙已經(jīng)正常工作在同步面向連接下。晶振模塊產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘信號(hào)。無(wú)線通信所使用的天線在PCB 版上用連接線繞制而成。

2.3 輔助電路

低噪聲放大器AD620 需要雙電源電壓，如果采用兩塊電池供電，由于電池內(nèi)部本身的差異，輸出的電壓也會(huì)逐漸產(chǎn)生差異。雖然在電路連接上可以確保正負(fù)電壓符號(hào)相反，但不能保證其電壓值大小相等[9]。整體電路電源供電方式為單電源，使用LM2662 芯片產(chǎn)生與正電源電壓相等的負(fù)電壓，給放大器電路提供雙電源電壓，如圖3 所示。

其中BT1 是外部電源接口，保險(xiǎn)絲F1 和二極管D1 用于保護(hù)電路，防止電源反接。電感與電容串聯(lián)用來(lái)降低電源線上的干擾，消除電源電壓對(duì)放大電路性能的影響。LM2662 的OUT 端輸出與芯片輸入端電源電壓相反的負(fù)電源電壓，圖3 中下面的電容C4 對(duì)所產(chǎn)生的負(fù)電壓實(shí)現(xiàn)濾波。

電源回路和信號(hào)回路相互獨(dú)立，如果電源地和信號(hào)地直接相連則會(huì)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致放大后的信號(hào)均值出現(xiàn)偏移，嚴(yán)重的情況下直接使得電路無(wú)法正常工作，所以電源電壓地和模擬信號(hào)地并非直接短路連接。一般使用零歐姆電阻或者專門增加磁珠插入信號(hào)的地和電源的地之間以實(shí)現(xiàn)隔離，此處使用的是后者，即圖3 中的0 歐姆電阻R1。

由于無(wú)線傳輸系統(tǒng)尺寸的限制，電池的尺寸同樣受到了限制。此處使用容量為60 毫安時(shí)的可充電鋰電池。在對(duì)鋰電池充電時(shí)要求充電電流不得高于電池容量數(shù)值的一半，即30 毫安。由于沒有充電電流3 毫安的充電器，為此使用TP4056 自制可調(diào)電流充電器[10-11]，如圖4 所示。

第一個(gè)狀態(tài)指示燈顯示當(dāng)前是否在進(jìn)行充電，第二個(gè)指示燈顯示是否已充滿。充電時(shí)電流與控制電阻的關(guān)系為：

其誤差小于百分之十。

3 信號(hào)無(wú)線傳輸電路實(shí)物

低功耗微弱信號(hào)無(wú)線傳輸電路主要包括低噪聲放大電路、無(wú)線藍(lán)牙傳輸電路和充電、供電輔助電路以及天線等，實(shí)物如圖5 所示。

圖5(a)是驗(yàn)證版，用來(lái)測(cè)試硬件架構(gòu)中各部分電路的功能是否正常。圖5(b)是在驗(yàn)證版的基礎(chǔ)上改進(jìn)的最終版，在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)最小化電路。另外，為了適應(yīng)內(nèi)部預(yù)留空間，縮減尺寸，將原來(lái)的矩形板改為圓形板。圖5(b)左側(cè)是電路板的正面，主要任務(wù)是無(wú)線信號(hào)的發(fā)送。圖5(b)右側(cè)是電路板的反面，主要功能是電源管理、信號(hào)輸入和信號(hào)放大。

4 結(jié)論

微弱信號(hào)的幅度小，并且容易受到電路中的噪聲和環(huán)境中的干擾影響。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了低功耗微弱信號(hào)無(wú)線傳輸系統(tǒng)。在獲得微弱信號(hào)后，首先采用雙電源電壓的低噪聲放大器放大微弱信號(hào)，然后使用藍(lán)牙模塊將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)上。為了使得低噪聲放大器和藍(lán)牙模塊的正常工作，設(shè)計(jì)了充電電路和供電電路，可以對(duì)鋰電池充電并提供所需的電源電壓。