一种生命体征信号采集装置设计*

2018-03-26黄博强彭良广

传感器与微系统 2018年3期

黄博强，庞宇，彭良广，吴优

(重庆邮电大学光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室，重庆 400065)

0 引言

心电信号作为人体的一项重要生理信号，是临床上诊断心血管疾病的重要依据[1]。呼吸信号作为另一项重要的生理信号，通过对人体呼吸功能及状况进行检测,即可发现并预防呼吸道、肺部以及心血管等部位的病变。很多心血管类疾病在发病前期，心电与呼吸信号多处于异常状态，若能及早检测，便可作出相应的生理调节，以降低此类疾病的死亡率。因此，对心电、呼吸信号的检测在医疗方面具有重要意义。

医院使用心电图机作为监测心电的常用仪器，以及睡眠呼吸检测仪检测睡眠时人体呼吸状况，仪器操作复杂，且价格高昂，不利于信号的实时检测，因此，研制一种可多场合使用，价格低廉的心电呼吸采集装置意义重大。目前，部分高校与市场上开始出现一些便携式生理参数监测装置，例如集成多生理参数监测的终端设计[2]、穿戴式呼吸信号检测装置[3]，但一般的便携式设备，很少具有同时检测心电与呼吸信号的功能。

本文以低功耗芯片STM32L51CBT6作为处理器，结合心电呼吸采集芯片ADS1292R，设计了一种心电呼吸信号采集装置，硬件端完成信号的采集和处理，通过无线传输将数据传给手机端，应用程序(App)实时显示信号波形。

1 总体设计

设计的生命体征信号采集装置如图1所示，采集部位为人体胸腔，采集方式为双极胸导联CM5方式[4～6]，通过导电硅胶和心电采集芯片采集心电、呼吸信号。原始信号传入单片机处理计算后，体征信号(心电、呼吸)通过蓝牙模块发送给手机App进行实时显示。

图1 系统整体设计

2 硬件设计

装置的硬件总体框图如2所示，分为4个部分：主控模块、心电呼吸采集模块、电源模块、蓝牙模块。

图2 硬件框图

2.1 主控模块

主控模块为单片机STM32L151CBT6及其外围电路，其电路如3所示。主控芯片外接8 MHz无源晶振，为整个电路提供系统时钟，BOOT0、BOOT1的设置，决定程序下载端口采用+3.3 V供电，SWDIO，SWCLK，GND四线SWD模式，STM32L151CBT6与ADS1292R通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)接口相连，ADS_RESET提供复位信号，ADS_START开启SPI传输，ADS_DRDY作为外部中断引脚，当接收ADS1292R的中断请求时，该引脚电平被拉低，响应中断并开始接收原始心电与呼吸数据，对其进行去噪处理后，按一定的数据格式，通过通用异步收发传感器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)串口发送给蓝牙模块，蓝牙模块再传给手机App进行显示。

图3 主控模块

2.2 心电呼吸采集模块

心电呼吸信号采集芯片为ADS1292R，使用两导联方式采集，如图4为采集电路，ELA、ERA接两电极传感器(导电硅胶)，COM端接电极线内侧的屏蔽线用于消除人体的共模干扰，原始心电呼吸信号经外围一阶微分电路滤除部分干扰，从IN1P、IN1N和IN2P、IN2N引脚进入ADS1292R，ADS1292R对采集的原始信号进行A/D转换、放大，作为从机通过SPI_MISO、SPI_MOSI两个数据引脚，以特有的帧格式将数据发送给主控模块的单片机(MCU)，3B的帧头、3B呼吸信号以及3B心电信号，组成每帧9B的数字信号[7]。每处理完一帧数据，向主机STM32L151CBT6发送请求，主机响应后进行数据传输。

图4 心电呼吸采集电路

TPS73030DBV5为ADS1292R芯片提供模拟电压ADS_AVDD，模拟地ADS_AVSS与数字地GND通过一个0 Ω电阻器进行转换，有源晶振Y2输出2.048 MHz，为采集芯片提供工作时钟。

2.3 电源模块

电源模块由可充电电池、电池隔离与稳压电路以及充电模块构成，电池隔离电路采用了一个PMOS管SI2301，防止电池正负极反接时烧坏稳压芯片，本文采用典型电压3.7 V的锂电池为采集装置供电，通过拨动开关控制稳压电路，由TLV70033DCK稳压芯片输出+3.3 V的工作电压。

充电电路选用TP4057作为充电芯片，通过USB接口外接+5 V电源为电池充电，充电电流为256 mA。

2.4 蓝牙传输模块

蓝牙传输模块采用低功耗的BLE4.0模块，工作频段为2.4 GHz，调制方式是高斯频移键控(Gaussian frequency shift keying,GFSK)，模块最大发射功率为4 dBm，接收灵敏度-93 dBm。模块的TXD,RXD引脚与主控芯片UART串口引脚连接进行通信，将接收的数据以无线方式发送给手机App， PIO13为模块指示灯输出管脚，可串接一个电阻器和一个LED指示灯，指示灯每2 s亮1 s，设备连接时，该LED指示灯常亮。

3 软件设计

对单片机进行C代码编程，编译环境为keil μvision 5.10，由主控芯片完成心电和呼吸信号的处理，并对采集的数据进行传输。

程序工作流程如图5所示。1)STM32初始化(配置时钟、初始化SPI端口及UART串口)，初始化ADS1292R，给ADS1292R寄存器赋值，开启全局中断，等待ADS1292R的中断请求(一帧数据转换完成后由ADS1292R的DRDY引脚向主控芯片发出)。2)开启SPI传输，一帧数据传完成后，关闭全局中断，主控芯片将接收的心电呼吸原始数据存入数组buff0；等待数据解析处理后(处理数据的时间为2 ms)，通过UART将心电呼吸数据发送至蓝牙。3)再次打开全局中断，重复以上步骤。

图5 程序流程

4 信号预处理

4.1 心电信号处理

采集的原始心电信号，其成分中含高频噪声、50 Hz工频干扰、基线漂移、肌电噪声等[8]，因此，需要设计与之对应的抗干扰算法，高频噪声可设计0.03Hz有限脉冲响应(finite impulse response,FIR)数字高通滤波器去除，50 Hz陷波器去除工频干扰，采用形态学滤波的方式滤除基线漂移[9]。图6(a)为采集的原始心电数据，存在大量干扰，经过相应的算法去噪后可得到较为清晰稳定的波形，如图6(b)波形所示。

图6 处理前后的心电信号

4.2 呼吸信号处理

由于呼吸信号与心电信号采集时共用2个电极，因此采集的呼吸信号也会受到高频噪声干扰、50 Hz工频干扰、基线漂移以及肌电干扰，而呼吸信号幅值和频率与心电信号不同，因此,设计算法滤除高频干扰时，采用40阶FIR数字低通滤波器[10]，工频干扰仍使用陷波器去除，中值滤波去除基线漂移。图7(a)为采集的原始呼吸信号数据，波形存在很多的毛刺，这是一些高频随机噪声引起的干扰，经过相应的算法去噪之后可得到较为清晰稳定的波形，如图7(b)波形所示。