心电采集

庞智明　侯启家　廖文龙　李杰成　汤建明

[摘要]心电信号是一种重要的人体信号，心电图能够反映多种生理状态，在如今日益增长的健康需求下，人们越来越注重对自身状况的监控：可穿戴设备的兴起和智能手机的普及，更使得人们追求便利快捷的获取自身信息的愿望成为可能。采用智能手机APP进行心电监测，主要是利用无线方式，使人们能摆脱电线和传输线缆的束缚，更便捷的传输数据和监控心电的变化。本文介绍了低功耗的心电监测系统。系统采用电池供电，使用无线连接APP。用电极采集人体，使得整个系统的安全性很高而不需要太多额外的保护措施。一定程度上节约了成本；得益于系统采用低功耗蓝牙进行无线数据传榆和片上微处理器，系统相对的小巧，同时也更为符合节能低耗的要求，一定程度上适应了可穿戴设备的低功耗需求，该系统将具有更广泛的应用价值。

[关键词]心电监测；可穿戴设备；Android；BMDl01；CC2540

1心电图发展概述

自1901年，由在荷兰莱顿工作的Willem Einthoven发明了用弦线电流计测试心电，取得重大突破以来，心电图的检测已有百年的发展。心电图获取由最初使用弦线电流计的方法不断发展，又产生了心电向量图、动态心电图等一系列新的心电图检测方法：检测设备也从传统的医用的大型心电图记录仪，家用心脏BP机，扩展至到如今基于Pc的多导联心电图仪和便携式的动态心电图仪器：目前，可穿戴设备等正逐步兴起，家庭健康监护的概念也日渐深人人心，使得心电图领域的理论和设备不断的丰富，不断的变得更为贴近于平常人。

2系统方案设计

2.1系统方案制定

系统方案制定关系到整个系统的运行模式以及系统的特点等等，因此，选取合理的方案十分重要。由于系统可在多个方案中进行选择，需经过比较和分析。可以得出的方案大致分为三种。

2.1.1系统方案一

此方案中，系统主要分为4个部分：主控单片机，WIFI模块，BMD101生物信号处理芯片组成的心电采集部分、和手机端，系统采用WIFI方式进行心电数据传输，当BMD101采集到心电数据，通过串口将其上传至主控单片机，单片机将数据存于内存，然后再由单片机的另一串口发送指令和数据至WIFI模块，再经过WIFI模块将数据传出，最后在手机端APP对数据进行解析，得到心电数据，将数据以波形的形式显示出来。

2.1.2系統方案二

系统主要组成部分和方案一相似，分为四个部分，由主控单片机，BMD101生物信号处理芯片、手机端和传统蓝牙无线透传模块组成。与方案一相似，数据经生物信号处理芯片采集后。通过串口传至单片机，再由单片机驱动传统蓝牙模块与手机进行配对并对获得的数据进行发送，手机接收数据，然后处理得到心电的波形图。

2.1.3系统方案三

系统由三个部分组成，分别是：手机端、由CC2540构成的低功耗蓝牙4.0处理节点和BMD101生物信号处理芯片组成的心电采集部分。在这个方案中，数据通过生物信号处理芯片BMDl01经过串口传送至CC2540，再通过其片内的蓝牙4.0射频部分将数据直接传出至手机端，手机端与CC2540进行连接后获得数据并进行波形的显示。

2.2系统方案的选定

三个方案中，方案一和方案二使用串口模块，使得必须使用独立的单片机，从而增加了整个系统的成本：而WIFI协议和传统蓝牙协议相比低功耗蓝牙4.0协议更为耗电，并且由于CC2540为单片射频系统，其不仅功耗更低，稳定性和耐用性相比使用模块的WIFI和传统蓝牙方案更为出色。因此，系统采用CC2540作为射频和处理节点，生物芯片BMD101作为心电采集前端连接电极，手机端APP作为用户终端。

系统的总体框图如图1所示。

3系统硬件设计

3.1系统蓝牙发送节点电路设计

由于蓝牙发送节点是系统的服务端，是系统接收数据、发送数据核心部分，其由两个主要部分组成，采集前端和控制器端，采集前端主要由电极和生物信号处理芯片组成，控制器端则由CC2540单独构成，蓝牙发送节点还包括了电源系统，由Ⅱ的低压降线性稳压器TPS77333构成，将电池电压稳压至3.3V系统电压对蓝牙节点系统进行供电。

3.1.1生物信号处理芯片BMD101电路设计

BMDl01是神念科技的第三代生物信号检测和处理芯片，它具有高精度的模拟前端及灵活的DSP功能。其前端由低噪的运放和16位的模数转换器组成，并且内部运放具有可控增益，可以有效检测wV至mV信号：前端还具有脱落检测功能。

BMD101内核具有固化DSP，能够加速系统的各种数字算法。同时它还具有以下特点：

1）大小为3mm*3mm*0.6mm的SON8封装。

2）64字节TX FIFO串口（57600波特率）。

3）3.3V供电，具有片上1.2V稳压。

4）低电流消耗。可接多种常见心电电极。

BMD101使用单电源供电，为了减少噪声，供电电路应该尽可能的考虑到滤波因素，由于本系统采用电池供电，相比于交流电稳压而来的直流电压会纯净很多，因此在电源引脚处的滤波电感使用On电阻进行了替代。同时，由于是电池供电，其输入输出压降不大，开关电源在低载时效率不高，同时，电池也不会产生过大的交流电经过人体的危险，因此本系统使用的是线性稳压而不是开关稳压器：为防止芯片的模拟和数字地相互干扰，应该对模拟和数字地分开，这里采用0Ω电阻对两个地进行连接。为了隔离人体和器件，让器件免收静电冲击，BMD101与人体接触的部分使用了瞬变抑制二极管进行

静电隔离。图2展示了电路原理。其中BD2、BD3为瞬变抑制二极管。

BMD101芯片内部有许多数字和模拟电路，下面对其内部结构进行详细介绍。

其前端部分具有一个高通滤波器，在经过滤波之后进入一个低噪声放大器，该放大器可以由数字逻辑控制其增益：经过运放将信号放大至合适的幅度之后，信号进入ADC进行转换，ADC时钟由内部的RC振荡器提供。至此，模拟前端处理部分已经做完。

滤波完成后，数字信号信号经过数字的带阻滤波器和数字低通滤波器后，由内部处理出心率，同时输出心电图信号至串口，从输入采集至串口输出的整个过程如图3所示。

[责任编辑：杨玉洁]