毕业设计论文-基于蓝牙的单导心电无线传输模块设计

毕业设计论文-基于蓝牙的单导心电无线传输模块设计内容摘要：

(12)起搏器模拟 (13)RS232 接口 蓝牙无线通讯技术简介 蓝牙技术是由爱立信、 IBM、 Intel、诺基亚、东芝等 5 家公司于 1998 年 5月联合制定的近距离无线通信技术标准，是一个开放的全球工业标准。 其实质内容是为固定设备或移动设备建立通用的无线电空中接口（ Radio Air Interface），将通信技术与计算机技术进一步结合起来，提供一种低价位、低功耗、可替代电缆的无线数据和语音链路，使设备能 在近距离范围内实现相互通信或操作 [16]。 蓝牙工作 于 国际通用 ISM(industry scientific and medical)频段，为了避免 与 其他无线通信系统的相互干扰 ， 采用了跳频 技术 (frequency hopping)进行数据传输。 蓝牙的跳频速度为 1600hops/s，即每隔 625μs 改变一次通信频道。 蓝牙技术设备自身具有组建临时网络的能力，可以主动检测到通讯范围内的其他蓝牙设备并由用户决定是否连接，支持点对点或点对多点的连接，不需要任何服务器。 本系统中采用蓝牙技术主要是基于以下几 点考虑 ： (1)用蓝牙无线链路替代电缆 ， 实现透明数据传输是蓝牙的典型应用 之一； (2)蓝牙技术提供快速、安全语音和数据传输，通讯范围高达 10 米； (3)通过采用错误纠正方法保护数据； (4)蓝牙微功率的特性对医疗仪器的干扰微乎其微 ， 也不会对人体健康产生影响。 标准状态下蓝牙的发射功率仅为 mW 级 ； (5)蓝牙芯片的成本相对较低 ， 且有进一步下降的趋势。 除蓝牙技术外，其他较为 成熟 的短距离无线通信技术还有红外、 长春理工大学本科毕业设计 8 无线局域网技术和 Home RF 家用无线局域网技术。 这三种技术和蓝牙都工作在一个频段，它 们之间存在着一定竞争和相互影响。 与其他无线传输方式相比， 蓝牙模块具有数据传输速率高、 体积小、功耗低等特点，已成为无线嵌入式医疗设备所考虑采用的基本无线通信技术之一。 本章小结 本章主要介绍了心电信号的产生机理及特征，并对目前主流的蓝牙短距离无线通信技术做了分析。 为系统设计过程中相关技术的选取和参数的确定做了必要的铺垫。 长春理工大学本科毕业设计 9 第 3 章 系统硬件设计 系统硬件设计原则与总体框图 系统硬件设计原则 嵌入式系统表述为：“以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、 功耗等严格要求的专用计算机系统”，由嵌入式硬件和嵌入式软件两部分有机的结合在一起。 作为一种典型的嵌入式应用，本论文设计的心电传输模块要求具有低功耗、 便携式特点 ，能够对心电信号进行无线传输。 因此，在硬件开发过程中，要有针对性的进行器件的选择和设计，可以遵循以下规则： (1)选择合适的处理器，以减少硬件复杂度并降低成本。 (2)安全性原则：系统要符合便携式设备的安全规定，保证电气性能安全。 (3)准确性原则：系统应能够准确测量人体微弱的心电信号，包括必要的抗干扰设计，如器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔 离等。 (4)可靠性原则：尽可能选择典型电路，模块化设计，软硬件结合，以降低能耗。 系统应能够保证长时间稳定可靠工作。 系统硬件总体框图 该采集传输系统总体可分为模拟和数字两部分。 模拟部分是指前端采集电路，包括前置放大、右腿驱动电路、滤波电路和二级放大电路。 数据处理部分包括 STM32L 处理器模块及其 A/D 转换、串口通信、上位机显示软件和电源管理模块等。 硬件 系统 设计 框图如图 31 所示 ： 前 置 放 大 电 路右 腿 驱 动 电 路高通滤波低通滤波二级放大M C US T M 3 2 L1 5 1 C 8蓝牙模块串口通信 心电电极电 源 模 块R LL AR A 图 31 心电无线传输 系统设计框图 如图 31 所示 ， 在人体右手 (RA)，左手 (LA)和左腿 (LF)任意两 处放置 心电 电极来采集人体心电信号，组成一 路 差分信号。 将此路微弱的差分信号送 到 高共模抑制比 (CMRR)、 高阻抗 的 精密 仪表放大器 中 进行 一级 放大 ； 系统中设计了右腿驱动电路，该电路采用以人体为相加点的共模电压负反馈的方法将反馈的共模信长春理工大学本科毕业设计 10 号接到人休的右腿 (RL)上，目的 是 克服 50Hz 的工频干扰 ，以 进一步提高共模抑制比。 信号经过前级处理后进入后级高通，低通和二级放大电路模块 ； 然后将调理好的心电信号输出送 到 MCU 中 进行 AD 转换，并通过 UART 送入 蓝牙 芯片 进行无线传输。 系统接收 部分 完成的功能是当 PC 机蓝牙适配器 接收到信号后， 通过上位机软件 读取接收到的信号。 在系统供电方面，拟采用普通的 2 节 5 号电池供 给电源模块 ，所以在硬件电路设计时应尽可能选用低功耗、适合于电池供电的器件并充分考虑各种节电方法。 采集传输系统硬件设计 根据 硬件 设计原则和系统 的 功能要求， 本文中采集传输系统应当具有设计简单、抗干扰能力强、体积小、功耗低的特点，将系统按如下五个主要模块进行设计： (1)前置放大模块； (2)滤波及二级放大模块； (3) MCU 控制模块； (4)蓝牙 传输模块； (5)电源模块； 下面将对上述各个模块分别做详细的分析。 前置放大模块 前置放大电路将采集到的人体心电信号直接进行差分放大，该部分电路在整个采集电路中至关重要，因为信号的后续处理都是以此为基础，所以一定要选用生物医学领域专用的的精密仪表放大器。 该放大器的输入电路相对于人体来说应具有保护机制，以防止电流通过电缆串扰到人体，对人体造成危害。 该电路模块在参数选取方面需要考虑以下几项 [17]： (1)高共模抑制比 (CMRR)：周围环境的工频干扰和极化电压均在电路中表现为共模干扰，所以放大器必 须具备很高的共模抑制比。 一般要求 CMRR80dB。 (2)高输入阻抗、低输出阻抗：由于心电信号具有高阻抗性，只有高输入阻抗的芯片才有可能将信号失真降到最低。 放大器的输出电路功能是用来驱动其负载，因此必须具有非常低的输出阻抗。 (3)频率响应：临床上标准 ECG 信号的有效频带一般为 之间，系统要求在此频带内电路不失真的放大心电信号。 可设计高、低通滤波器来压缩频带，滤除该频带以外的干扰信号。 (4)增益：以 177。 5mV 为心电电压最大幅值 (其选用 MCU 自带的 AD 转换模块长春理工大学本科毕业设计 11 的输入电压范围为 ， 参考电压 )，所以需对信号做约 330 倍的放大。 一般为了抑制零点漂移，提高共模抑制比，应该分多级实现放大。 本文设计中选用两级放大，第一级放大 10 倍，第二级放大 33 倍。 (5)低噪声、低漂移 进行心电放大时应尽量选用低噪声元件，提高输入阻抗。 另外，温漂会引入直流电压增益，对心电信号产生影响。 本设计采用 TI公司的精密仪表放大器 INA333。 其内部结构图如图 32所示。 图 32 INA333 内部结构图 INA333 是低功率、高精度精密仪表放大器，内部采用通用的三运放设计，小尺寸及低功耗使之有着广泛的用途。 它在输入两通道内部集成了射频滤波电路。 可由 1 脚、 8 脚之间的外部电阻 RG 进行 1~1000 的增益调节，行业标准的增益公式为： G=1+100kΩ/RG。 INA333 具有非常低的偏移电压 (25181。 V， G≥100)，极小温漂 (℃ )，高的共模抑制比 (100dB， G≥100)。 其可在低至 (177。 )的电源供电下运行，其静态电流仅为 50μA，非常适合电池供电的系统。 INA333在其扩展的工业温度范围内采用自动校准技术来确保其准确精度，同时提供极低的噪声密度 ( Hz/Vn50 )。 从上面的分析可知，该放大器非常符合对心电信号的放大。 精密仪表放大器 INA333 作为前置放大器，再辅以合理的其他电路来充分发挥其作用。 差 分放大方式确保了高的共模抑制比。 通常，周围环境所产生的工频干扰等在人体上形成的共模电压对病人的心电信号的干扰是非常严重的，为此在电路中设计了右腿驱动电路，它可以很好的抑制共模。 其采用以人体为相加点的共模电压并联负反馈，将取出的前置放大级中共模电压，经放大电路倒相放大后再加回体表上，通常是将反馈的共模信号接到人体右腿上，所以称为右腿驱动。 图 33 所示为前置放大和右腿驱动连接图。 长春理工大学本科毕业设计 12 图 33 前置放大、右腿驱动连接图 由于本文设计中选用两级放大，第一级放大 10 倍，所以由 INA333 的增益公式 VO=G(VIN+VIN)及 G=1+100kΩ/RG(RG=)得到式 (31)： idCCidCCO U T V10V21GVV21V  (31) 滤波及二级放大模块 从前置 仪表放大器输出的心电信号，可能会混有极化电压等产生的低频干扰和高频噪声，且心电信号的频率范围在 之间，所以必须设计带通滤波器，将带外噪声去除，同时还需对信号进行二级放大。 图 34 所示为带通滤波和二级放大电路连接图。 图 34 滤波和二级放大电路 从图 34 中可以看出，由 INA333 输出的心电信号首先通过由 OPA23 RC6 所形成的积分反馈电路所构成的高通滤波电路。 由于所选 OPA3 OPA2330系列放大器均采用单电源供电，其参考电压为 ，接入两个放大器的正输入端。 由放大器虚短虚断可得到 OPA2330 第 5 管脚的电压公式 (32)： 长春理工大学本科毕业设计 13 dt)V21V(CR 1V21V 2t1t CCO U T66CCR E F   (32) 由公式 (31)和公式 (32)，可推导得出高通滤波后的心电信号的传递函数如公式(33)所示： ccV211SCR SCRGVV 66 66id1O U T  (33) 取时间常数： t=，由此可得到其转折频率如式 (34)所示，由此滤除 以下的低频噪声。 1f HF   (34) 电阻 R R4，电容 C1 及集成运放 OPA330 构成低通滤波及二级放大电路。 其转折频率为公式 (35)： 1f6FL   (35) 此二级放大电路的增益表达式为： G= R1/R4。 按设计要求，二级放大电路的放大倍数取 33 倍，据此得到电阻 R1=330KΩ ， R4=10KΩ。 式 (36)所示为心电信号经过滤波放大后所得到的总传递函 数： ccV21RSCRR R1SCR SCRGVV 4141 166 66id2O U T  ）（）（ (36) 至此，心电信号经过了滤波及两级放大，已将心电信号放大到以 为基准电压的伏级水平。 MCU 控制模块 便携式医学仪器与传统医学仪器设计的区别主要表现在前者高度重视小型化和低功耗设计 [18]，同时增强了操作的易用性和通信等功能。 由于本文所设计的系统只需在完成对 ECG 信号的采集、调理、 AD 转换后送由 HC06 进行无线传输，不需太多复杂的数字信号处理过程，结合 本设计具体要求，经过比较本文选用了 ST 公司 STM32L151C8 为系统 MCU。 STM32L151 系列是高性能的 ARM CortexM3 32 位 RISC 内核的微控制器，具有超低功耗，供电范围在 ，工作频率为 32MHz，内置高速存储器 (高达 128K 字节的 FLASH 和 16K 字节的 RAM)，丰富的增强 I/O 端口和连接到两条 APB 总线的外设。 所有型号的器件都包含 1 个 12 位的 ADC、 2 个 DAC 和2 个超低功耗比较器， 6 个通用 16 位定时器和 2 个基本定时器。 此外还包含标准和先进的通信接口 ：多达 2 个 I2C 和 SPI、 2 个 USART、 1 个 USB。 长春理工大学本科毕业设计 14 STM32L151 系列微控制器有如下优点： (1)高达 64K 字节的内置闪存，用于存放程序和数据，可在线编程。 多达 16K字节的内置 RAM，所以在系统设计中不需要外扩外部程序、数据存储器节约了系统成本。 (2)拥有内置的 ARM 核心，与其他的 ARM 工具和软件兼容，便于开发。 通过标准库函数的方式，使用户可以方便地访问和使用 STM32L 的各个标准外设，屏蔽了底层硬件细节。 (3)STM32L151 最高时钟频率可达 24MHz，包含有一个可编程的内部振荡器和一个外部振荡驱动电路，内部 振荡器可以。