基于AD8232 的車載心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)

劉文婕，高星宜，余 越

（1.東南大學(xué)創(chuàng)新學(xué)院，江蘇 南京 210088；2.東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088）

在人們的生活中，私家車被廣泛應(yīng)用，車內(nèi)的車載式裝置有著廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。隨著社會(huì)不斷發(fā)展，各類產(chǎn)品越來(lái)越趨于智能化，但市場(chǎng)上的大部分車載類裝置并沒有達(dá)到智能化的需求，同時(shí)市場(chǎng)上的大部分車載類裝置只能為人們提供物理上的保護(hù)，不能為身體指標(biāo)突發(fā)異常的人們提供及時(shí)的預(yù)警和救治，所以一種具有便攜輕便、能長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率等優(yōu)勢(shì)的車載裝置已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點(diǎn)。

人們?cè)谲囕v駕駛的過(guò)程中，因?yàn)樾呐K突發(fā)狀況等情況導(dǎo)致悲劇的事故頻頻發(fā)生。面對(duì)這一現(xiàn)狀，我們希望通過(guò)我們團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的這種車載智能安全帶裝置系統(tǒng)，幫助人們減少日常駕駛中這類突發(fā)事故的發(fā)生。對(duì)于目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的大多數(shù)穿戴式裝置來(lái)說(shuō)，仍然是通過(guò)物理傳感器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的計(jì)算運(yùn)動(dòng)量，甚至推送信息等初級(jí)階的裝置。并沒有應(yīng)用到車載方面，為駕駛?cè)藛T提供方便，而且傳遞方式方面存在網(wǎng)絡(luò)約束，并且無(wú)法測(cè)試出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，同時(shí)產(chǎn)品制造成本極高，市面上的大部分可穿戴檢測(cè)裝置 通常是以智能手表的形式為人們提供服務(wù)，并沒有實(shí)際應(yīng)用到車載設(shè)備方面。我們所研發(fā)的這款可穿戴式車載人體健康智能穿戴監(jiān)測(cè)裝置，采用AD8232 集成信號(hào)調(diào)理模塊，該模塊小巧便捷，采用雙極電高通濾波器實(shí)現(xiàn)單級(jí)高增益及高通濾波，從而節(jié)約成本和空間，同時(shí)使用的AD8232 集成信號(hào)調(diào)理模塊采用一個(gè)無(wú)使用約束運(yùn)算器來(lái)創(chuàng)造一個(gè)三極點(diǎn)低通濾波器，這種方式可以滿足不同類型的應(yīng)用需求。而且AD8232 裝置具有快速恢復(fù)功能，能夠盡快取得有效的測(cè)量值。所以我們團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的這款可穿戴式車載人體健康智能穿戴監(jiān)測(cè)裝置相對(duì)于市面上的這些檢測(cè)產(chǎn)品相比具有目的性強(qiáng)、方便攜帶、適用性廣、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)。

1 硬件設(shè)計(jì)

車載智能安全帶裝置由心電傳感器、藍(lán)牙模塊、數(shù)據(jù)計(jì)算模塊、電源模塊、4G 模塊以及用戶所使用的車載系統(tǒng)的終端或手機(jī)端組成。

1.1 電源電路

作為心電監(jiān)護(hù)儀的供電電源，考慮到總模塊的小體積的特點(diǎn)，采用三節(jié)紐扣電池作為總電源，但有可能因?yàn)殡姵仉妷号c和模塊的額定電壓不匹配，電池電壓的不穩(wěn)定或鋰電池充電期間的電壓超過(guò)一些模塊的的最大額定值而影響AD8232、處理器和藍(lán)牙模塊的正常工作。所以將AMS1117/3.3V 作為穩(wěn)壓和降壓模塊，為CPU（STM32）、AD8232、血氧模塊、藍(lán)牙模塊供電。

1.2 心電信號(hào)采集模塊

根據(jù)芯片內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)，AD8232 是通過(guò)給儀表放大器提供一個(gè)頻率為100 kHz 的小電流源來(lái)檢測(cè)電極何時(shí)斷開的芯片。心電采集模塊如圖1 所示，電流在儀表放大器輸入端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差分電壓，該電壓經(jīng)同步檢測(cè)并與內(nèi)部閾值進(jìn)行比較，判斷是否有導(dǎo)聯(lián)脫落的情況。圖1 中的電阻過(guò)小會(huì)使差分壓降過(guò)低而檢測(cè)不到導(dǎo)聯(lián)脫落，同時(shí)也會(huì)降低心電采集模塊的輸入阻抗，所以2個(gè)電阻的阻值的大小最好是10 MΩ。當(dāng)某一端的心電電極出現(xiàn)脫落時(shí)，AD8232 芯片的LOD 引腳會(huì)輸出高電平。所以在軟件設(shè)計(jì)中，只要根據(jù)LOD的引腳值就可以判斷心電裝置是否穿戴成功，不會(huì)因?yàn)閷?dǎo)聯(lián)脫落而導(dǎo)致偽報(bào)警。

圖1 心電采集模塊

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 處理器時(shí)序的設(shè)置

為了無(wú)失真地顯示人體心電信號(hào)的采集結(jié)果，采樣頻率必須嚴(yán)格要求。根據(jù)Nyquist 采樣定理，在進(jìn)行模擬信號(hào)—數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率的2倍時(shí)，采樣得到的數(shù)字信號(hào)才能被完整地保留。人體的心電信號(hào)頻率一般在0.5～100 Hz 之間。使用CPU 的定時(shí)中斷將采樣頻率設(shè)置為200 Hz，同時(shí)設(shè)置串口通信的波特率為9 600 bit/s，使之與藍(lán)牙設(shè)備通信。

2.2 設(shè)計(jì)方案

使用ad8232 和血氧傳感器檢測(cè)相關(guān)值，實(shí)時(shí)顯示心電圖心率和血氧濃度至車載顯示屏上（實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用OLED顯示屏模擬車載顯示屏）。同時(shí)把心電數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳到手機(jī)APP，APP 實(shí)時(shí)顯示心電圖。當(dāng)檢測(cè)到心率異常時(shí)觸發(fā)警報(bào)，觸發(fā)4G 模塊打電話或者發(fā)短信。圖2 為程序的執(zhí)行流程。

圖2 程序的執(zhí)行流程

3 結(jié)果展示

手機(jī)APP 顯示如圖3 所示，OLED 模擬顯示如圖4 所示。

圖3 手機(jī)APP 顯示

圖4 OLED 模擬顯示