便携式低功耗心电监测系统设计

摘要：心电图是检测心脏健康与否的重要指标之一，常规心电图机较难在心脏疾病早期发现异常，因而需要通过长期的心电监测来保证心脏健康。但是，容易受到电池容量、电子器件体积等瓶颈限制，低功耗、便携式心电图仪是长期心电监测的技术关键。本文使用低功耗器件ADS1293配合CC2541 ，实现了便携式低功耗心电监测系统设计。

引言

　　本文通过对人体心电信号的各项主要特征和实际检测需求，设计开发了一套便携式低功耗心电监测系统。该系统通过嵌入内衣穿戴的心电采集模块，采集人体心电信号，并通过无线蓝牙数据网络将信号发送至iPAD终端，进行数据的处理、显示，从而达到人体心电远程、实时监测的目的。

1 系统方案

1.1 总系统设计

　　便携式低功耗心电监测系统中，系统的功耗越低，稳定性越高，对穿戴了产品病人监测效果越好。因此本产品着力考虑功耗低、稳定性、集成性高的芯片。图1为该系统的结构框图。系统硬件部分主要由ADS1293前端采集模块采集人体微弱的心率信号，并通过适当的放大、滤波来提取有用的心电信号。无线发送模块，采用TI公司带有专利8051核的CC2541进行心电信号数据的传输。电源模块，利用TPS61220进行升压。iPAD终端对无线发送模块发送过来的心电信号接收，并利用滤波和心率算法对心电信号进行处理，最终将信号显示在屏幕上。

1.2 硬件设计

1.2.1 心电信号采集模块

　　ECG信号是一种低频率的微弱双极性信号，信号频率主要分布在0.05Hz~150Hz，幅度为10µV~4mV，其典型为1mV，此外ECG信号中往往还混有其他的生物电信号，加上体外的50Hz工频干扰，仪器内部噪声和仪器周围电场、磁场、电磁场干扰等。上述因素使得心电噪声比较强，为采集和测量带来了一定的困难。

　　本设计以TI公司推出ADS1293为核心进行开发。ADS1293是TI公司推出，一款用于生物电势测量的集成式三通道模拟前端，具有功耗低、噪声小特点，适用于心电监测。

　　ADS1293从IN1~IN6共有6个输入引脚，全部输入引脚都包含一个EMI来滤除射频噪声。该模块采用5导联连接方式。RA、LA、LL分别连接IN1、IN2、IN3引脚，利用共模探测器取得RA、LA、LL的平均电压作为右脚驱动放大器的输入，右脚驱动放大器的输出端返回到RL端，一起从IN4引脚输出。WCT的输出连接到IN6引脚，与连接到IN5引脚的V1胸电极一起作为CH3通道的差分信号的输入。

　　通过仪用放大器对输入的差分信号进行放大，将输出信号送到∑△调制器把差分模拟电压信号转换为数字信号输入到低通数字滤波器中，即可得到编码后的数字信号输出。信号的输出采用SPI通信协议，将编码后的数字信号输出到下一模块。

1.2.2 无线发送模块

　　将心电信号采集模块采集到的信号，通过该模块发送到终端设备上。该模块以TI公司的CC2541为核心。CC2541 将领先 RF 收发器的出色性能和一个业界标准的增强型 8051 MCU、系统内可编程闪存存储器、8KB RAM 和很多其它功能强大的特性和外设组合在一起。 CC2541 非常适合应用于需要超低能耗的系统。 这由多种不同的运行模式指定。 运行模式间较短的转换时间进一步使能耗降低。

　　CC2541内嵌8051核，将心电发送模块经编码后的数字信号以SPI协议接收，进行处理，再通过RF发送出去。

1.2.3 电源模块

　　电源供电模块给心电信号采集模块和无线发送模块供电。该模块采用TI公司TPS61220进行设计。TPS61220是一款具有5.5mA的静态电流低输入电压、0.7V升压转换器。TPS61220采用6引脚SC-70封装，可在低负载条件下保持极高的效率。可进一步延长本系统基于低功耗的微处理器的设计方案的电池使用寿命。在5V输出电压时，输出电流高达50mA，并使系统的锂离子电池放电电压低于2.5V。