可穿戴式心率傳感器模塊的優化應用*

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(1.清華大學，北京 100084；2.湖北文理學院；3.鄭州升達經貿管理學院運動與健康研究所)

引 言

隨著科學技術的發展，包括電子傳感器在內的各類芯片[1-3]都朝著小型化、低成本、低功耗的方向發展，為智能化運動負荷檢測設備的發展提供了硬件平臺，也為便攜式智能設備的發展提供了生長的土壤。可穿戴式電子傳感器將人體的生理活動信號轉變成可視的電信號，在臨床診斷、健康評估、健康監控等領域擁有很大的應用潛力[4-6]，而心率是評價人體運動負荷的客觀指標，是制定和安排運動量的科學依據。在運動中，準確的測量心率對更好地評價運動負荷和運動效果具有重要的意義。

1 可穿戴式心電、心率傳感器

傳統的心電信號采集設備是由分立元件為主組成的，包括儀表放大器、運算放大器、濾波器、模/數轉換器、電阻電容等。多年來，這樣的設備被廣泛運用于臨床，但是由于設備體積大、功耗大，應用環境受到一定的限制，而可穿戴式心電信號采集裝置大大減小了體積和功耗[7-9]，所以研究用于心電信號采集的專用集成電路，成為近年來的一個熱點。

電子技術的發展使心電傳感器的性能得到快速提升，集成化、數字化程度越來越高。表現出以下幾個顯著的特點：①硬件上從分立元件到小規模集成電路，再到高集成度的多功能集成電路；②信號方面從模擬信號輸出向數字信號輸出發展；③在信號傳送方面從有線向無線方向發展。另外在功耗和穩定性方面也有顯著的改進。BMD101可穿戴式心率、心電傳感器是近年推出的具有代表性的傳感器芯片。該心電傳感器的一個顯著特點是雙電極(去掉了常規心電傳感器必需的右腿驅動電極)，而且功耗極低，有利于連續、長時間地監控應用。然而，在實際應用中，常會遇到設計效果不夠理想的狀況，針對這個問題，本文重點討論BMD101心電傳感器的優化應用以及BMD101心電模塊設計中的關鍵點，試圖為使用者提供參考。

2 BMD101心電模塊的優化應用

2.1 BMD101心電傳感器芯片

圖2 用BMD101設計心電采集小系統的原理框圖

微電子技術的創新、應用和發展，將芯片的高性能、高集成度、小型化、智能化進一步提高，BMD101是Neurosky的心電傳感器，在一個芯片上高度集成了心電采集前端和數字信號處理單元，其耗電0.8 mA，內置1.2 V穩壓器LDO，采用SON8封裝，芯片尺寸為3 mm×3 mm×0.6 mm，還具有二極管靜電保護、4 kV接觸放電、8 kV隔空放電特性，有利于做成可穿戴的嵌入式設備[10-11]。

BMD101心電傳感器芯片自帶集成模擬前端放大器、50 Hz陷波器、100 Hz低通濾波器。DSP數字信號處理器加速了片上系統管理單元的各種數字濾波的計算時間。此外芯片還有傳感器脫落自動檢測和16位高精度A/D轉換器。芯片每秒恒定輸出513幀數據，其中512幀為數據幀，第513幀則是一個多信息組合幀，這一幀有22個字節，包含了當前信號的質量、計算出的每分鐘心率值等多種信息。

2.2 BMD101的PC客戶端演示軟件

Neurosky提供了一個BMD101心電傳感器的PC客戶端演示軟件，默認的數據通道是通用串行接口，在不具備串行接口的PC機上可以用USB轉串口的方式實現硬件串行接口通道。由BMD101心電傳感器采集的心電實時數據通過串行接口數據通道以特定的格式傳送到PC計算機，就能在計算機屏幕上顯示圖1所示的波形。

圖1 在PC計算機上顯示的心電波形

遺憾的是多數用戶雖然使用Neurosky提供的PC客戶端軟件，并不能很容易地獲得圖1這樣理想的心電波形，究其原因，主要集中在硬件設計的各個環節上，而不是芯片自身。解決這個問題的關鍵是要根據BMD101心電傳感器的特點，有針對性地進行優化設計，以期獲得較好的應用效果[8]。

2.3 BMD101心電傳感器模塊的優化應用

BMD101心電模塊的應用設計與幾個關鍵點密切相關，處理不當有可能無法采集到正常的心電數據[2]。下面以心電采集信號實時發送給PC計算機的一個微系統的設計應用為例，探討模塊的優化應用方法。圖2是運用BMD101心電傳感器設計的一個小系統的原理框圖。

用BMD101設計心電采集小系統的原理框圖分為幾個單元：第一個是以BMD101為核心的心電采集單元；第二個是數據通信與隔離單元；第三個是電源供給與隔離單元。以上幾個單元實現了心電采集與PC計算機在空間上的隔離，同時又完成了心電采集與PC計算機二者之間的數據通信，在很大程度上排除了PC計算機對心電采集系統的干擾。

2.3.1 從PC機USB端口取電的方法和抗干擾措施

PC計算機的USB端口除了作為數據通道之外，還可以提供5 V/0.5 A的電源給用戶使用，在圖3中，IC3是一個可編程電流限制芯片，通過調節R7的阻值，能夠實現控制0～0.5 A范圍內的供電電流上限，以保護功率過電流和因外圍短路損壞PC計算機的USB供電回路。芯片上集成有過溫保護和關機時輸出電容放電保護，在輸出高于輸入電壓時，SY6280自動關機，以阻止電流從輸入端到輸出端。

圖3 USB端口供電限流保護與電源隔離

F0505S是一個能夠將DC 5 V變為DC 5 V的小型隔離電源，既解決了用戶系統的供電問題，又防止了PC機的系統干擾串入用戶系統。實驗結果表明，直接用筆記本內的直流電源供電，效果會比普通兼容機和品牌機都要好。F0505S具有可持續短路保護功能，效率高達 83%，隔離電壓為1500 V DC 。

2.3.2 通過USB端口向PC機進行數據傳送的抗干擾措施

圖4中，PC計算機的USB端口除了5 V電源之外，還可以提供一個數據通信通道給用戶使用，同樣，為了在空間上與PC計算機隔離，這里使用了ADUM4160芯片，以確保從用戶系統傳送給PC機的數據純凈度。ADUM4160將高速CMOS的工藝與芯片級變壓器技術相結合，具有優異的工作性能，并且隔離電壓為5 kV，高共模瞬變抗擾度大于25 kV/μs。

圖4 USB數字信號隔離

2.3.3 心電電極的選擇與應用

圖5 心電電極的使用

Neurosky對心電傳感器電極片推薦不銹鋼和氯化銀材質，傳感器電極片的最小直徑為5 mm，建議傳感器電極片的直徑為10 mm。實際應用中電極片大于10 mm效果更好，也可以選擇醫用心電圖電極，如圖5所示。

傳統的心電電極片大多基于金屬材料，其便攜性、柔韌性和可穿戴特性較差，從防震和運動應用的角度出發，建議選擇柔性織物心電電極，這種電極已經是POLAR微型心率傳感器模塊的標配[3,11,12]。隨著柔性電子材料和傳感技術的快速發展，柔性織物心電電極片是一個優化的解決方案，越來越受到人們的關注，如圖6所示。

圖6 柔性織物心電傳感器電極

柔性織物心電電極表面柔軟，導電性能較好，最大的特點是在運動中與人體的接觸面吻合度好，尤其在大量出汗的情況下效果更佳。

2.3.4 BMD101心電傳感器在PC端用戶軟件的編程

Neurosky提供的客戶端演示軟件，不但實時顯示心電信號波形，還能顯示心率數值和心電信號質量、診斷電極脫落等，為用戶診斷傳感器模塊提供了很好的條件，但是卻沒有提供與用戶程序的銜接端口供用戶二次開發。

初期實驗中，將BMD101心電傳感器每秒512幀的心電采集數據源同時送往兩臺計算機。其中一臺計算機運行Neurosky客戶端演示軟件，在另一臺計算機上運行用戶自編程序。結果發現，同一數據來源下，兩臺計算機上顯示的圖像效果差異較大[7]，用戶程序直接將BMD101的心電數據送到顯示屏顯示，形成的圖像遠達不到應用層面。

進一步深入研究和對比發現，在Neurosky客戶端演示軟件中嵌入了一個1009個數據組成的核心數據包，通過串行接口傳送來的當前心電數據，在送往顯示屏繪圖顯示之前，需要調用這個1009的核心數據包，經過運算后最終會生成一個新的心電圖像素點。這1009個數據的核心數據包，具有較高的科技含量，是Neurosky公司針對BMD101心電傳感器的特點研發的一個成果。參考應用的軟件數據處理流程如圖7所示。

圖7 參考應用的軟件數據處理流程圖

2.3.5 BMD101的無線數據通信[1,3,8]

BMD101心電傳感器模塊的優化應用是基于有線數據通信的，采取優化應用的措施，可以確保心電采集數據的精度和穩定性。從可穿戴的角度考慮，還可以采用無線方法實現。基于BMD101心電傳感器無線發送模塊的原理框圖如圖8所示。

圖8 BMD101心電模塊無線應用框圖

系統使用了無線發送模塊進行數據傳送，傳輸過程無需線纜介質，不受端口和連接線路約束，從根本上解決了PC機對BMD101心電傳感器的串擾。無線通信方式可以選用WiFi、ZigBee、IrDA、UWB、藍牙等。另一方面，無線設計中需要增加單片機和電池供電，在PC計算機一方，還需要搭建一個無線接收平臺[10-11]。

結 語