蓝牙心电采集终端的设计与实现

时间：2024-07-28

刘照阳，舒明雷，孔祥龙，单珂，赵凯

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)山东省计算中心(国家超级计算济南中心) 医学人工智能重点实验室，山东济南 250014；2.齐鲁工业大学(山东省科学院)电气工程与自动化学院，山东济南 250353)

0 引言

心脏类疾病具有突发性和高危险性，患者需要进行有效监护才能及时发现并处理病情。而现阶段医护用心电(electrocardiogram,ECG)监护设备存在价格昂贵、移动性差的不足[1-3]。因此，研发一种经济、便携、操作方便的心电监护终端迫在眉睫。近年来，嵌入式技术的飞速发展为开展这类研究提供了良好的技术条件。

本文设计了一款基于ADS1298的蓝牙心电采集终端。以TM4C123GH6PM为核心控制芯片，设计了硬件电路；结合电路滤波以及无限脉冲响应(infinite impulse response，IIR)、有限脉冲响应(finite impulse response，FIR)数字滤波技术，实现了软件功能。该蓝牙心电采集终端通过蓝牙技术进行交互，实现了心电数据传输。

1 系统总体架构

本文的硬件电路以TI公司模拟前端ADS1298芯片和低功耗32位单片机TM4C123GH6PM为核心，辅以蓝牙、SD卡、液晶显示屏等相关外设，以及电源电路、单片机复位电路、USB接口电路等外围电路。

系统前端采集传感器捕捉、获取人体电信号。信号经过ADS1298进行数据处理然后发送至主控芯片。通过对主控芯片相关接口和寄存器配置，实现心电信号的显示、存储以及蓝牙数据传输。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 系统硬件设计

2.1 MCU主控模块

TM4C123GH6PM是德州仪器公司生产的32位微处理器，具有高效的信号处理及浮点运算功能，同时集成了高级运动控制的脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)和正交编码器接口(quadrature encoder interface，QEI)功能，USB及 CAN2.0等通信功能，精密模拟信号处理功能(如模拟比较器和12位模数转换器)，并且延续了Cortex-M处理器低功耗、低成本和易使用的优点。

控制器功能框图如图2所示。由图2可知，该控制器提供了广泛的应用能力和外设支持，包括一个工作频率为80 MHz的ARM Cortex-M4F微处理器内核、系统控制及外设、多种内部存储器、模拟比较器及高速模拟数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)，同时还集成了联合测试工作组(joint test action group，JTAG)标准测试协议和串行线调试接口。除此之外，该控制器还包括一个专用的单精度浮点运算单元(float point unit,FPU)，大大增强了其信号处理能力。

图2 控制器功能框图

2.2 前端采集模块

本文采用TI公司的ADS1298芯片作为心电信号采集前端。该芯片是一款8通道24位模数转换器的集成芯片，具有8个低噪声可编程增益放大器(programmable gain amplifier，PGA)和8个高分辨率ADC，每个通道功率仅为0.75 mW，输入偏置电流为200 pA，共模抑制比为-115 dB，数据传输速率在250 SPS～32 kSPS范围可调[4-7]。芯片内置右腿驱动放大器，威尔逊中心终端(Wilson central terminal，WCT)以及起搏信号检测电路等，可持续进行导联脱落的检测，具有集成的呼吸阻抗测量以及数字起搏信号检测功能[8-10]。

2.3 蓝牙模块

蓝牙模块选用低功耗CC2541芯片。该芯片优化了2.4 GHz的应用功率，集成了射频(radio frequency，RF)收发器、增强型8051微控制单元(microcontrol unit，MCU)、系统内可编程闪存存储器、8 KB的RAM及其他外设。本设计选用该芯片，实现了与外部设备的交互，通过蓝牙端口对接，进行心电数据传输。

2.4 电源模块

该系统使用内置电池供电，设计充电电路，通过USB接口提供5 V电压为电池充电。由于主控芯片、采集前端、外围电路所需的供电电压不同，所以要采用电压转换芯片为不同模块提供相应的供电电压。

在设计中具体采用3.8 V的充电电池供电，选用芯片BQ24090进行充电电路设计，选取TPS73201稳压芯片分别为主控芯片及部分采集前端电路提供3.3 V及2.5 V的供电电压，利用芯片TPS60403将电压反转，选取TPS72301为采集前端电路提供-2.5 V的供电电压。

3 系统软件设计

3.1 主控模块软件

本设计软件部分按照不同外设划分为不同模块，初始化配置、相应外设寄存器及功能均在相应模块中定义。主控模块根据功能需求通过不同接口进行模块的调用，其流程如图3所示。

图3 主控模块流程图

主控模块通过串行外设接口(serial peripheral interface,SPI)接口对ADS1298进行采集模块的参数配置以及相关功能指令的收发，从而控制心电数据的采集、处理。数据处理完成后，使用通用异步收发传输器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)接口接收；按需求协议格式保留心电数据，并调用LCD液晶显示模块实时显示心电波形。由于心电数据量过大，本设计中配有SD卡模块对数据进行存储。主控芯片通过SPI接口对SD卡进行初始化配置以及数据的存储与提取。另外，主控芯片通过UART接口配置蓝牙模块，按照通用蓝牙协议与外部设备交互。

3.2 采集模块软件

采集模块上电后，首先进行初始化配置，包括外部的参考电压、功能寄存器配置以及读写指令等功能函数定义。配置完成后进行数据的读取、处理、传送，导联脱落检测以及QRS算法检测等流程。

在数据读取时，通过定时器设定每250 μs产生的中断来获取8个通道中心电样本点，采样频率为500 SPS。通过中断服务例程(interrupt service routine，ISR)发送相应指令，在所选传输通道中获取24位心电数据，这些数据在压缩至20位后分别依次进行IIR滤波以及FIR滤波处理。其中，每个相同通道的数据读取间隔为2 ms。在读取数据的同时，会发出导联脱落检测信号，获取各通道导联状态位。该状态位与滤波处理数据一同进行QRS检测后，通过串口发送至主控芯片。采集模块流程如图4所示。

图4 采集模块流程图

3.3 蓝牙传输软件

蓝牙模块流程如图5所示。

图5 蓝牙模块流程图

本系统蓝牙软件设计采用状态机模式，通过AT指令来配置不同参数、编写指令以实现相应功能，根据状态反馈判断进程，从而进入不同功能节点。本设计完成对蓝牙寄存器及功能初始化定义后，依次对蓝牙名称、配对密码、波特率(文中默认波特率为115 200 bit/s)进行设置。按要求设置成功后，会有等待连接请求。只有配对请求通过，才可调用数据发送指令完成数据传输。