基于A(yíng)DS1298與CC2640的安卓手機心電監護儀

作者 / 孫健 張石 董冠廷 張天成

　　東北大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院(遼寧 沈陽(yáng) 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。該系統采用低功耗藍牙為通訊協(xié)議改進(jìn)傳統便攜式心電儀，將部分功能轉移到安卓平臺上，做到了12導聯(lián)數據實(shí)時(shí)顯示，波形保存等功能。該系統具有低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)，為便攜式心電穿戴設備提供了一種可靠的新方法。

引言

　　近幾年，便攜式醫療設備走進(jìn)人們的生活之中，便攜式心電儀逐步受到醫生和患者的青睞?，F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(zhù)功耗大和成本高的問(wèn)題。心電儀需要具備模擬放大、濾波、AD轉換等功能，加上必要的人機交互、顯示、存儲功能，使得傳統的便攜式心電儀必不可少地出現功耗和成本問(wèn)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導聯(lián)心電圖機采用了TI公司高性能、低功耗的藍牙模塊和模擬前端^[1-2]。將數據通過(guò)BLE(低功耗藍牙)發(fā)送到安卓手機進(jìn)行顯示和處理^[3]。相對于傳統方案，實(shí)現了低功耗、低成本。

1 系統整體方案

　　將模擬采集前端的ADS1298采集到的心電數據通過(guò)SPI(串行外設接口)送入CC2640藍牙芯片，利用BLE傳輸到安卓客戶(hù)端，在安卓客戶(hù)端進(jìn)行顯示和存儲。通過(guò)安卓平臺的各種接口進(jìn)行離線(xiàn)的診查。結構圖如圖1所示。

2 ADS1298部分

　　ADS1298芯片是TI公司設計的專(zhuān)門(mén)用于生物電位測量的低功耗、8通道、24位模擬前端。該芯片擁有醫療心電圖(ECG)和腦電圖(EEG)應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(zhù)降低的功耗和整體成本開(kāi)發(fā)可擴展的醫療儀器系統。根據參考電壓最低可分辨的電壓為0.286μV。用其設計電路所占用的組件數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(shí)其最大功耗僅為9.5 mW。如圖2所示，該芯片集成了內置右腿驅動(dòng)放大器、導聯(lián)斷開(kāi)檢測、威爾遜中心終端、起搏檢測、測試信號等功能。在設計時(shí)可以根據實(shí)際考慮設置內外參考電壓和時(shí)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應用的無(wú)線(xiàn)MCU。此器件屬于CC26xx系列的經(jīng)濟高效型超低功耗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用中使用。CC2640含有一個(gè)32位ARM Cortex-M3處理器，具有豐富的外設功能集，包括一個(gè)獨特的超低功耗傳感器控制器，適用于在系統處于休眠模式時(shí)連接外部傳感器和/或自主采集模擬和數字數據。除此之外還有一個(gè)ARM Cortex-M0處理器單獨用于運行藍牙協(xié)議棧，與主處理器工作頻率同為48MHz，憑此架構可改善整體系統性能和功耗，并釋放閃存以供用戶(hù)應用^[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(guò)芯片內置的DCDC生成1.7V的電壓^[7]。CC26xx如果采用無(wú)線(xiàn)射頻功能，必須采用滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)協(xié)議標準精度的24MHz外部晶振，否則無(wú)法滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)協(xié)議標準。而為了實(shí)現低功耗且定時(shí)精確，需要32.768kHz的外部晶振。同時(shí)CC26xx系列的24MHz振蕩電路內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。在藍牙天線(xiàn)部分，CC26xx支持的無(wú)線(xiàn)標準均位于2.4GHz的ISM頻段，因此需要2.4GHz的天線(xiàn)及對應的巴倫和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )電路。CC26xx支持多種天線(xiàn)方式，根據偏置是否內置還是外置，以及輸出信號是差分還是單端，分為4種。本方案采用內置差分電路。天線(xiàn)部分追求面積小，因此采用尺寸最小的MIFA-2.4GHz的PCB天線(xiàn)，如圖3所示。CC2640部分原理圖如圖4。

4 BLE簡(jiǎn)介

　　藍牙技術(shù)發(fā)展至4.0標準包含兩個(gè)藍牙標準，是一個(gè)雙模的標準。它包含傳統藍牙部分和低功耗藍牙部分。相對于傳統藍牙，BLE(Bluetooth Low Energy)的優(yōu)勢主要表現在：傳統藍牙技術(shù)是一種“面向連接”的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，具有固定的連接時(shí)間間隔，而B(niǎo)LE用可變連接時(shí)間間隔，這個(gè)間隔根據具體應用可以設置為幾毫秒到幾秒不等;BLE只用3個(gè)信道做廣播信道，允許毫秒級快速建立連接，效率遠高于傳統藍牙的 32 個(gè)信道方式;傳統藍牙的工作峰值電流一般是 35mA，睡眠狀態(tài)電流是 0.01mA。而低耗能藍牙的工作峰值電流是小于15mA，睡眠狀態(tài)電流是0.004mA，顯著(zhù)降低了工作電流和睡眠電流。使用低功耗藍牙可以大大降低系統通訊時(shí)候的功耗。

5 軟件整體設計

　　本系統的軟件部分分為兩部分，一部分是心電儀嵌入式的C語(yǔ)言編程，一部分是安卓客戶(hù)端的JAVA編程部分。在CC2640上編寫(xiě)心電儀的數據收集、SPI通訊協(xié)議和藍牙發(fā)送數據的程序，在安卓平臺上編寫(xiě)心電數據實(shí)時(shí)顯示、用戶(hù)交互、數據保存的程序。在編寫(xiě)安卓程序的時(shí)候，考慮到心電數據量比較大而使用多線(xiàn)程的編寫(xiě)方式，目的是進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示波形。

6 心電儀軟件設計

　　由于CC2640的特殊架構，使得CC2640擁有特殊的軟件架構，程序由APP和Stack構成。CC2640內置一個(gè)藍牙協(xié)議棧不需要考慮藍牙Stack編程問(wèn)題，用戶(hù)只需要編寫(xiě)自己的業(yè)務(wù)程序APP即可。CC2640的業(yè)務(wù)程序和藍牙堆棧之間的通訊靠ICall模塊進(jìn)行。在A(yíng)PP中運行一個(gè)TI的操作系統，APP中各個(gè)線(xiàn)程通過(guò)操作系統來(lái)調用CC2640的硬件。由于BLE的數據包一包攜帶位數較少我們需要在在心電監護線(xiàn)程中將通過(guò)SPI得到的數據進(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 安卓軟件設計

　　安卓程序部分主要由藍牙模塊、數據處理模塊、實(shí)時(shí)顯示模塊和數據保存模塊構成。數據首先通過(guò)藍牙模塊接受收據然后通過(guò)BroadcasrReceiver全局監聽(tīng)每包數據是否接受成功，成功以后進(jìn)行分包數據還原通過(guò)JAVA內部多線(xiàn)程傳遞機制使用handle將數據傳遞給顯示模塊進(jìn)行數據的實(shí)時(shí)顯示，實(shí)時(shí)顯示部分采用了MPandroidChart框架，此框架可以輕松繪制多種圖表。數據保存的模塊開(kāi)啟時(shí)也要單獨開(kāi)啟新線(xiàn)程以防止出現ANR導致程序退出^[8]。

8 系統結果

　　最終顯示結果如圖6所示，當選擇change按鈕時(shí)候會(huì )切換其他導聯(lián)。選擇savetxt按鈕時(shí)會(huì )開(kāi)始保存為txt形式的數據。當選擇savepicture按鈕時(shí)候會(huì )保存當前的截圖。Txt形式數據方便長(cháng)時(shí)間的保存心電結果以便醫生獲得24h數據，而截圖的數據能更直觀(guān)的給醫患觀(guān)察特定時(shí)刻的心電波形。保存數據如圖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將數據通過(guò)BLE傳遞到手機，提高系統性能的同時(shí)也減少了PCB的體積。將一部分功能轉移到手機端減低了功耗和成本。并且在安卓平臺可以實(shí)時(shí)顯示波形和切換導聯(lián)，并且可以隨時(shí)隨地記錄和存儲心電信號。還可以通過(guò)安卓手機的各種接口將數據傳送到醫生手中使得患者在家中也可以進(jìn)行診斷。

　　參考文獻：

　　[1]魏厚杰,金安.ADS1298模擬前端的便攜式生理信號采集系統[J].單片機與嵌入式系統應用,2012,12(2):36-39.

　　[2]李陽(yáng)青.基于A(yíng)DS1298芯片的12導心電圖儀的設計[[J].醫療裝備,2016,(18):34-35.

　　[3]德州儀器公司.ADS1298R全面集成型模擬前端方案[J].世界電子元器件,2013,(01):62-62.

　　[4]馬曉玉.基于STM32和藍牙4.1的便攜式心電采集分析系統研究[D].燕山大學(xué),2016.

　　[5]蔡露.基于A(yíng)ndroid和ARM平臺BLE4.0的手腕式計步器的設計與實(shí)現[D].廣西師范大學(xué),2015.

　　[6]黃越.一種便攜式動(dòng)態(tài)心電監測系統的研究與開(kāi)發(fā)[D].吉林大學(xué),2013.

　　[7]曹小娜. TI全新SimpleLink MCU平臺探索無(wú)限可能[J].世界電子元器件,2017,(04):46-47.

　　[8]李寧.Android權威指南[M].北京:人民郵電出版社.2011.

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