基于ADS1298與CC2640的安卓手機(jī)心電監(jiān)護(hù)儀

作者 / 孫健 張石 董冠廷 張?zhí)斐?/p>本文引用地址：http://2s4d.com/article/201712/373593.htm

　　東北大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院(遼寧 沈陽 110819)

　　*基金項目：東北大學(xué)第十批創(chuàng)新項目科研成果

摘要：本文介紹了一種以ADS1298和CC2640為核心器件的便攜式心電儀。該系統(tǒng)采用低功耗藍(lán)牙為通訊協(xié)議改進(jìn)傳統(tǒng)便攜式心電儀，將部分功能轉(zhuǎn)移到安卓平臺上，做到了12導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)實時顯示，波形保存等功能。該系統(tǒng)具有低功耗、低成本的優(yōu)點，為便攜式心電穿戴設(shè)備提供了一種可靠的新方法。

引言

　　近幾年，便攜式醫(yī)療設(shè)備走進(jìn)人們的生活之中，便攜式心電儀逐步受到醫(yī)生和患者的青睞?，F(xiàn)在主流的便攜式心電儀雖然技術(shù)已經(jīng)成熟，但是還存在著功耗大和成本高的問題。心電儀需要具備模擬放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換等功能，加上必要的人機(jī)交互、顯示、存儲功能，使得傳統(tǒng)的便攜式心電儀必不可少地出現(xiàn)功耗和成本問題，限制了便攜式心電儀的發(fā)展。本文中所介紹的便攜式低功耗12導(dǎo)聯(lián)心電圖機(jī)采用了TI公司高性能、低功耗的藍(lán)牙模塊和模擬前端^[1-2]。將數(shù)據(jù)通過BLE(低功耗藍(lán)牙)發(fā)送到安卓手機(jī)進(jìn)行顯示和處理^[3]。相對于傳統(tǒng)方案，實現(xiàn)了低功耗、低成本。

1 系統(tǒng)整體方案

　　將模擬采集前端的ADS1298采集到的心電數(shù)據(jù)通過SPI(串行外設(shè)接口)送入CC2640藍(lán)牙芯片，利用BLE傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/安卓">安卓客戶端，在安卓客戶端進(jìn)行顯示和存儲。通過安卓平臺的各種接口進(jìn)行離線的診查。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 ADS1298部分

　　ADS1298芯片是TI公司設(shè)計的專門用于生物電位測量的低功耗、8通道、24位模擬前端。該芯片擁有醫(yī)療心電圖(ECG)和腦電圖(EEG)應(yīng)用中通常所需的全部功能。憑借高集成度和出色性能，ADS1298能夠以大幅縮小的尺寸、顯著降低的功耗和整體成本開發(fā)可擴(kuò)展的醫(yī)療儀器系統(tǒng)。根據(jù)參考電壓最低可分辨的電壓為0.286μV。用其設(shè)計電路所占用的組件數(shù)量與電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供電時其最大功耗僅為9.5 mW。如圖2所示，該芯片集成了內(nèi)置右腿驅(qū)動放大器、導(dǎo)聯(lián)斷開檢測、威爾遜中心終端、起搏檢測、測試信號等功能。在設(shè)計時可以根據(jù)實際考慮設(shè)置內(nèi)外參考電壓和時鐘，以上特性大大提升了心電采集前端的性能，降低了PCB體積。

3 CC2640部分

　　CC2640是一款面向Bluetooth Smart應(yīng)用的無線MCU。此器件屬于CC26xx系列的經(jīng)濟(jì)高效型超低功耗2.4GHz RF器件。極低的有源RF 和MCU 電流以及低功耗模式流耗可確保卓越的電池使用壽命，允許采用小型紐扣電池在能源采集型應(yīng)用中使用。CC2640含有一個32位ARM Cortex-M3處理器，具有豐富的外設(shè)功能集，包括一個獨特的超低功耗傳感器控制器，適用于在系統(tǒng)處于休眠模式時連接外部傳感器和/或自主采集模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。除此之外還有一個ARM Cortex-M0處理器單獨用于運行藍(lán)牙協(xié)議棧，與主處理器工作頻率同為48MHz，憑此架構(gòu)可改善整體系統(tǒng)性能和功耗，并釋放閃存以供用戶應(yīng)用^[4-6]。

　　CC26xx的供電有3種方式，本文采用外部1.8~3.8V供給VDDS，VDDR電壓通過芯片內(nèi)置的DCDC生成1.7V的電壓^[7]。CC26xx如果采用無線射頻功能，必須采用滿足無線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)精度的24MHz外部晶振，否則無法滿足無線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。而為了實現(xiàn)低功耗且定時精確，需要32.768kHz的外部晶振。同時CC26xx系列的24MHz振蕩電路內(nèi)置可配置容值大小的電容陣列，可以省略24MHz外部晶振的配套電容，以降低成本和PCB面積。在藍(lán)牙天線部分，CC26xx支持的無線標(biāo)準(zhǔn)均位于2.4GHz的ISM頻段，因此需要2.4GHz的天線及對應(yīng)的巴倫和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電路。CC26xx支持多種天線方式，根據(jù)偏置是否內(nèi)置還是外置，以及輸出信號是差分還是單端，分為4種。本方案采用內(nèi)置差分電路。天線部分追求面積小，因此采用尺寸最小的MIFA-2.4GHz的PCB天線，如圖3所示。CC2640部分原理圖如圖4。

4 BLE簡介

　　藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展至4.0標(biāo)準(zhǔn)包含兩個藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，是一個雙模的標(biāo)準(zhǔn)。它包含傳統(tǒng)藍(lán)牙部分和低功耗藍(lán)牙部分。相對于傳統(tǒng)藍(lán)牙，BLE(Bluetooth Low Energy)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)是一種“面向連接”的無線技術(shù)，具有固定的連接時間間隔，而BLE用可變連接時間間隔，這個間隔根據(jù)具體應(yīng)用可以設(shè)置為幾毫秒到幾秒不等;BLE只用3個信道做廣播信道，允許毫秒級快速建立連接，效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)藍(lán)牙的 32 個信道方式;傳統(tǒng)藍(lán)牙的工作峰值電流一般是 35mA，睡眠狀態(tài)電流是 0.01mA。而低耗能藍(lán)牙的工作峰值電流是小于15mA，睡眠狀態(tài)電流是0.004mA，顯著降低了工作電流和睡眠電流。使用低功耗藍(lán)牙可以大大降低系統(tǒng)通訊時候的功耗。

5 軟件整體設(shè)計

　　本系統(tǒng)的軟件部分分為兩部分，一部分是心電儀嵌入式的C語言編程，一部分是安卓客戶端的JAVA編程部分。在CC2640上編寫心電儀的數(shù)據(jù)收集、SPI通訊協(xié)議和藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)的程序，在安卓平臺上編寫心電數(shù)據(jù)實時顯示、用戶交互、數(shù)據(jù)保存的程序。在編寫安卓程序的時候，考慮到心電數(shù)據(jù)量比較大而使用多線程的編寫方式，目的是進(jìn)行實時顯示波形。

6 心電儀軟件設(shè)計

　　由于CC2640的特殊架構(gòu)，使得CC2640擁有特殊的軟件架構(gòu)，程序由APP和Stack構(gòu)成。CC2640內(nèi)置一個藍(lán)牙協(xié)議棧不需要考慮藍(lán)牙Stack編程問題，用戶只需要編寫自己的業(yè)務(wù)程序APP即可。CC2640的業(yè)務(wù)程序和藍(lán)牙堆棧之間的通訊靠ICall模塊進(jìn)行。在APP中運行一個TI的操作系統(tǒng)，APP中各個線程通過操作系統(tǒng)來調(diào)用CC2640的硬件。由于BLE的數(shù)據(jù)包一包攜帶位數(shù)較少我們需要在在心電監(jiān)護(hù)線程中將通過SPI得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分然后封包發(fā)送出去，然后再安卓平臺進(jìn)行還原。CC2640的程序流程如圖5。

7 安卓軟件設(shè)計

　　安卓程序部分主要由藍(lán)牙模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、實時顯示模塊和數(shù)據(jù)保存模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)首先通過藍(lán)牙模塊接受收據(jù)然后通過BroadcasrReceiver全局監(jiān)聽每包數(shù)據(jù)是否接受成功，成功以后進(jìn)行分包數(shù)據(jù)還原通過JAVA內(nèi)部多線程傳遞機(jī)制使用handle將數(shù)據(jù)傳遞給顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時顯示，實時顯示部分采用了MPandroidChart框架，此框架可以輕松繪制多種圖表。數(shù)據(jù)保存的模塊開啟時也要單獨開啟新線程以防止出現(xiàn)ANR導(dǎo)致程序退出^[8]。

8 系統(tǒng)結(jié)果

　　最終顯示結(jié)果如圖6所示，當(dāng)選擇change按鈕時候會切換其他導(dǎo)聯(lián)。選擇savetxt按鈕時會開始保存為txt形式的數(shù)據(jù)。當(dāng)選擇savepicture按鈕時候會保存當(dāng)前的截圖。Txt形式數(shù)據(jù)方便長時間的保存心電結(jié)果以便醫(yī)生獲得24h數(shù)據(jù)，而截圖的數(shù)據(jù)能更直觀的給醫(yī)患觀察特定時刻的心電波形。保存數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示。

　　本文采用了TI公司的ADS1298作為心電信號的模擬采集前端，利用CC2640將數(shù)據(jù)通過BLE傳遞到手機(jī)，提高系統(tǒng)性能的同時也減少了PCB的體積。將一部分功能轉(zhuǎn)移到手機(jī)端減低了功耗和成本。并且在安卓平臺可以實時顯示波形和切換導(dǎo)聯(lián)，并且可以隨時隨地記錄和存儲心電信號。還可以通過安卓手機(jī)的各種接口將數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)生手中使得患者在家中也可以進(jìn)行診斷。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第42頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。