便携式无线心电检测设备

      据世卫组织统计，心血管疾病是造成全球人口死亡最多的疾病。社会新闻上披露的心源性猝死、心梗等健康问题的发生人群年龄呈明显下降趋势。从几个月来互联网高管、拼多多年轻员工猝死等令人遗憾的意外事件中反思，社会生活及企业的加速发展所带来的巨大工作压力也是心源性健康问题逐渐年轻化的外因之一。被时代的洪流推着向前走的当代打工人们似乎更愿意在养生或健康设备上投入金钱，他们企图用这种手段消解内心的健康焦虑。

 

      各大消费电子巨头早已敏锐地捕捉到这一消费趋势，推出的带有心率监测功能的电子设备在作为社会消费主力的年轻人之间备受欢迎。但是消费级的电子设备存在着穿戴方式引起误差、基线漂移、运动伪迹噪音及QRS识别不准确等问题。

 

      2020年，Chen Ya Jun针对以上问题设计原理一种带有三轴加速度传感器、以低功耗元器件及改进的自适应滤波算法为基础的穿戴式便携式心电监测设备，利用MOSFET开关电路切换系统的充电与供电状态。样机大小仅39mm X 20mm，续航时间长，和市面上同类产品相比具有低功耗、充电快等优势。

 

主要模块硬件设计

 【心电预警检测系统的硬件框架图】

      系统主要分为七大模块：差分导联电极模块、信号采集模块、三轴加速度模块、主控芯片处理模块、无线蓝牙传输模块、光源预警控制模块以及电源管理模块。

 

• 信号采集模块：ADS1292R数模转换器芯片
• 主控芯片：STM32L452CEU6
• 三轴加速度模块：ADXL345BCCZ加速度传感器芯片
• 无线传输模块：B-0004低功耗蓝牙4.0模块
• MOS管：NMOS管 Vds=20V，Id=0.6A；PMOS管 Vds=-20V，Id=-5A
• 稳压芯片：TLV70033DCK
• 充电模块：BQ21040电源管理芯片

 

 

 【ADS1292R外围电路原理图】

 

      信号采集模块采用ADS1292R将采集到的模拟信号转换为数字信号，利用其两路差分导联采集通道采集心电信号。芯片IN2P、IN2N和IN1P、IN1N输入端分别经过直流耦合的低通滤波器和交流耦合的高通滤波器，这样可以使采集到的模拟信号在进入芯片之前就减少外界噪声干扰。

 

 

 

 【主控单片机的基本电路】

 

      采用的主控单片机STM32L452在正常工作的时候需要晶体振荡电路为微控制器提供时钟。在外部接入的8MHz的晶振为整个系统提供时钟的来源，而负载电容C2、C3可以降低微小的振荡，从而稳定振荡电路输出。

 

 

 

【三轴加速度外围电路】

      三轴加速度模块采用的传感器是ADXL345。整个模块用于采集人体三轴加速度信号，可以用来感知人相对运动的剧烈程度，以此作为滤波算法的参考信号，并优化算法的滤波效果，即可输出“干净”的心电信号。

 

 

 

 

 

 

【光源预警控制电路】

      光源预警可控制电路分别采用三色RGB发光二极管和微型震动电机来实现发光和震动。由于主控芯片IO驱动电流能力有限，模块选用NMOS管为LED和震动马达进行适当扩流。

 

      这里可以选用VBsemi微碧的双沟道N+N MOS管VBTA3230NS，Vds=20V，Id=0.6A，250μA是栅源阀值电压为1V。

 

 

【VBsemi微碧半导体MOS管型号参数】

 

 

 

 

【电源管理模块的电路原理图】

 

       电源充电模块采用电池电源管理芯片BQ21040，稳压电路采用的是TLV70033DCK稳压器。而控制BQ21040和TLV70033DCK的工作电路采用MOS管开关电路。

 

       此系统选择PMOS管SI2301DS-T1-GE3作为开关电路中的开关器件，Vds=-20V，Id=5A，导通电阻小，Rdson=43mΩ。

 

可选择的VBsemi微碧场效应管型号

①SI2301DS-T1-GE3

②VB2290

③VB2290A

④VB2140

 

 

【适用的VBsemi微碧mos管型号参数】

 

      配合上软件算法设计，系统经样机测试可长时间稳定工作，系统功耗低，且R波定位准确率在运动状态下大于96%，心率误差小于4%。

 

微碧半导体MOS管封装及应用

      微碧半导体企业主要产品的封装有：SOP-8 、TO-220（F）、TO-263、TO-247、TO-252、TO-251、SOT-23、SOT-223、SOT-89、QFN、AO3400、IRF540、IRF630等系列封装产线。

 

【微碧部分MOS管产品封装】

      广泛应用于3C数码、安防设备、测量仪器、广电教育、家用电器、军工/航天、可穿戴设备、汽车电子、网络通信、物联网IoT、新能源、医疗电子、照明电子、智能家居、电脑主板显卡、MID\UMPC 、GPS、蓝牙耳机、PDVD、车载DVD、汽车音箱、液晶显示器、移动电源、手机电池（锂电池保护板）、LED电源等产品。微碧半导体有限公司以饱满的激情，拼搏务实的干劲，不断创新进取，致力于为客户群体打造出一座高效、便捷、直通、优质的服务桥梁。

参考文献

[1]陈亚军. 心电信号滤波算法与预警系统的研究与设计[D].重庆邮电大学,2020.

[2]蒋玉波,赵小妹.医疗健康领域可穿戴设备应用研究[J].锦州医科大学学报(社会科学版),2019,17(03):54-57.

[3]夏涛. 穿戴式心电检测与诊断系统研究与设计[D].深圳大学,2016.

[4]李娜. 基于人体运动状态识别的可穿戴健康监测系统研究[D].北京工业大学,2013.