基于ADS1298与CC2640的安卓手机心电监护仪

作者 / 孙健 张石 董冠廷 张天成

　　东北大学 计算机科学与工程学院(辽宁 沈阳 110819)

　　*基金项目：东北大学第十批创新项目科研成果

摘要：本文介绍了一种以ADS1298和CC2640为核心器件的便携式心电仪。该系统采用低功耗蓝牙为通讯协议改进传统便携式心电仪，将部分功能转移到安卓平台上，做到了12导联数据实时显示，波形保存等功能。该系统具有低功耗、低成本的优点，为便携式心电穿戴设备提供了一种可靠的新方法。

引言

　　近几年，便携式医疗设备走进人们的生活之中，便携式心电仪逐步受到医生和患者的青睐。现在主流的便携式心电仪虽然技术已经成熟，但是还存在着功耗大和成本高的问题。心电仪需要具备模拟放大、滤波、AD转换等功能，加上必要的人机交互、显示、存储功能，使得传统的便携式心电仪必不可少地出现功耗和成本问题，限制了便携式心电仪的发展。本文中所介绍的便携式低功耗12导联心电图机采用了TI公司高性能、低功耗的蓝牙模块和模拟前端^[1-2]。将数据通过BLE(低功耗蓝牙)发送到安卓手机进行显示和处理^[3]。相对于传统方案，实现了低功耗、低成本。

1 系统整体方案

　　将模拟采集前端的ADS1298采集到的心电数据通过SPI(串行外设接口)送入CC2640蓝牙芯片，利用BLE传输到安卓客户端，在安卓客户端进行显示和存储。通过安卓平台的各种接口进行离线的诊查。结构图如图1所示。

2 ADS1298部分

　　ADS1298芯片是TI公司设计的专门用于生物电位测量的低功耗、8通道、24位模拟前端。该芯片拥有医疗心电图(ECG)和脑电图(EEG)应用中通常所需的全部功能。凭借高集成度和出色性能，ADS1298能够以大幅缩小的尺寸、显著降低的功耗和整体成本开发可扩展的医疗仪器系统。根据参考电压最低可分辨的电压为0.286μV。用其设计电路所占用的组件数量与电路板尺寸比分立器件降低95%，功耗也比分立器件降低95%左右，3 V供电时其最大功耗仅为9.5 mW。如图2所示，该芯片集成了内置右腿驱动放大器、导联断开检测、威尔逊中心终端、起搏检测、测试信号等功能。在设计时可以根据实际考虑设置内外参考电压和时钟，以上特性大大提升了心电采集前端的性能，降低了PCB体积。

3 CC2640部分

　　CC2640是一款面向Bluetooth Smart应用的无线MCU。此器件属于CC26xx系列的经济高效型超低功耗2.4GHz RF器件。极低的有源RF 和MCU 电流以及低功耗模式流耗可确保卓越的电池使用寿命，允许采用小型纽扣电池在能源采集型应用中使用。CC2640含有一个32位ARM Cortex-M3处理器，具有丰富的外设功能集，包括一个独特的超低功耗传感器控制器，适用于在系统处于休眠模式时连接外部传感器和/或自主采集模拟和数字数据。除此之外还有一个ARM Cortex-M0处理器单独用于运行蓝牙协议栈，与主处理器工作频率同为48MHz，凭此架构可改善整体系统性能和功耗，并释放闪存以供用户应用^[4-6]。

　　CC26xx的供电有3种方式，本文采用外部1.8~3.8V供给VDDS，VDDR电压通过芯片内置的DCDC生成1.7V的电压^[7]。CC26xx如果采用无线射频功能，必须采用满足无线协议标准精度的24MHz外部晶振，否则无法满足无线协议标准。而为了实现低功耗且定时精确，需要32.768kHz的外部晶振。同时CC26xx系列的24MHz振荡电路内置可配置容值大小的电容阵列，可以省略24MHz外部晶振的配套电容，以降低成本和PCB面积。在蓝牙天线部分，CC26xx支持的无线标准均位于2.4GHz的ISM频段，因此需要2.4GHz的天线及对应的巴伦和阻抗匹配网络电路。CC26xx支持多种天线方式，根据偏置是否内置还是外置，以及输出信号是差分还是单端，分为4种。本方案采用内置差分电路。天线部分追求面积小，因此采用尺寸最小的MIFA-2.4GHz的PCB天线，如图3所示。CC2640部分原理图如图4。

4 BLE简介

　　蓝牙技术发展至4.0标准包含两个蓝牙标准，是一个双模的标准。它包含传统蓝牙部分和低功耗蓝牙部分。相对于传统蓝牙，BLE(Bluetooth Low Energy)的优势主要表现在：传统蓝牙技术是一种“面向连接”的无线技术，具有固定的连接时间间隔，而BLE用可变连接时间间隔，这个间隔根据具体应用可以设置为几毫秒到几秒不等;BLE只用3个信道做广播信道，允许毫秒级快速建立连接，效率远高于传统蓝牙的 32 个信道方式;传统蓝牙的工作峰值电流一般是 35mA，睡眠状态电流是 0.01mA。而低耗能蓝牙的工作峰值电流是小于15mA，睡眠状态电流是0.004mA，显著降低了工作电流和睡眠电流。使用低功耗蓝牙可以大大降低系统通讯时候的功耗。

5 软件整体设计

　　本系统的软件部分分为两部分，一部分是心电仪嵌入式的C语言编程，一部分是安卓客户端的JAVA编程部分。在CC2640上编写心电仪的数据收集、SPI通讯协议和蓝牙发送数据的程序，在安卓平台上编写心电数据实时显示、用户交互、数据保存的程序。在编写安卓程序的时候，考虑到心电数据量比较大而使用多线程的编写方式，目的是进行实时显示波形。

6 心电仪软件设计

　　由于CC2640的特殊架构，使得CC2640拥有特殊的软件架构，程序由APP和Stack构成。CC2640内置一个蓝牙协议栈不需要考虑蓝牙Stack编程问题，用户只需要编写自己的业务程序APP即可。CC2640的业务程序和蓝牙堆栈之间的通讯靠ICall模块进行。在APP中运行一个TI的操作系统，APP中各个线程通过操作系统来调用CC2640的硬件。由于BLE的数据包一包携带位数较少我们需要在在心电监护线程中将通过SPI得到的数据进行拆分然后封包发送出去，然后再安卓平台进行还原。CC2640的程序流程如图5。

7 安卓软件设计

　　安卓程序部分主要由蓝牙模块、数据处理模块、实时显示模块和数据保存模块构成。数据首先通过蓝牙模块接受收据然后通过BroadcasrReceiver全局监听每包数据是否接受成功，成功以后进行分包数据还原通过JAVA内部多线程传递机制使用handle将数据传递给显示模块进行数据的实时显示，实时显示部分采用了MPandroidChart框架，此框架可以轻松绘制多种图表。数据保存的模块开启时也要单独开启新线程以防止出现ANR导致程序退出^[8]。

8 系统结果

　　最终显示结果如图6所示，当选择change按钮时候会切换其他导联。选择savetxt按钮时会开始保存为txt形式的数据。当选择savepicture按钮时候会保存当前的截图。Txt形式数据方便长时间的保存心电结果以便医生获得24h数据，而截图的数据能更直观的给医患观察特定时刻的心电波形。保存数据如图7和图8所示。

　　本文采用了TI公司的ADS1298作为心电信号的模拟采集前端，利用CC2640将数据通过BLE传递到手机，提高系统性能的同时也减少了PCB的体积。将一部分功能转移到手机端减低了功耗和成本。并且在安卓平台可以实时显示波形和切换导联，并且可以随时随地记录和存储心电信号。还可以通过安卓手机的各种接口将数据传送到医生手中使得患者在家中也可以进行诊断。

　　参考文献：

　　[1]魏厚杰,金安.ADS1298模拟前端的便携式生理信号采集系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2012,12(2):36-39.

　　[2]李阳青.基于ADS1298芯片的12导心电图仪的设计[[J].医疗装备,2016,(18):34-35.

　　[3]德州仪器公司.ADS1298R全面集成型模拟前端方案[J].世界电子元器件,2013,(01):62-62.

　　[4]马晓玉.基于STM32和蓝牙4.1的便携式心电采集分析系统研究[D].燕山大学,2016.

　　[5]蔡露.基于Android和ARM平台BLE4.0的手腕式计步器的设计与实现[D].广西师范大学,2015.

　　[6]黄越.一种便携式动态心电监测系统的研究与开发[D].吉林大学,2013.

　　[7]曹小娜. TI全新SimpleLink MCU平台探索无限可能[J].世界电子元器件,2017,(04):46-47.

　　[8]李宁.Android权威指南[M].北京:人民邮电出版社.2011.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第1期第42页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。