便携式家庭健康监护仪的研究与设计

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摘要：本文涉及一种家庭健康监护仪的研究与设计。采用模块化的设计方法以PSoC4系列处理器芯片为核心，简单的检测电路为辅助完成对人体心电、脉搏血氧和血压三个重要生理参数采集及测量，并通过蓝牙模块实时传输测量数据至手机或PC端，可监测家庭中每个成员的身体状况。通过监护系统硬件电路和软件部分的设计完成监护仪的研发，并进行实验且测试结果表明该监护仪能长时间实时地监测到这三个生理参数。

关键词：PSoC4 多参数 健康监护

中图分类号：TP391. 1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）04-0000-00

近年来我国人口老龄化程度越来越严重，心脏病、高血压等疾病的发病率呈逐年递增趋势[1-2]，对医疗系统造成了前所未有的负担；其次随着现代生活节奏越变越快，很多不健康的生活方式悄然蔓延在青少年甚至中年人群中，导致各种慢性病患者数量增加。在技术的进步、通信基础设施的支撑等因素影响下，监护市场也涌现出了大量的医疗健康监护设备，如分立式血氧仪、心率计、心电仪等。但目前集多种生理参数监护功能于一体，适合家用且长期实时生理监控的多参数监护仪还有所缺乏[3]。鉴于此，多参数家庭健康监护系统的研究具有很大的现实意义且有广阔的市场前景。

1 系统整体设计

基于PSoC4的多参数家庭健康监护仪选择采集心电、血氧、血压这三个生理参数，其系统结构框如下图1所示。该系统利用贴片电极和低负荷传感器能够实现对人体这些重要的生理参数的采集，将采集到的生理参数经过放大、滤波等相应的预处理。进入CY8CKIT-042 PSoC4 Pioneer Kit开发套件中的ARM Cortex-M0处理器内置的A/D进行采样，同时芯片对相应的预处理电路可以进行控制。最后，系统通过ARM Cortex-M0处理器对数据进行处理和分析，测量结果可以在LCD屏中显示出来或者采用蓝牙无线通信发送到手机或PC端进行显示和存储。

2 系统硬件设计

2.1 心电参数测量电路

心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现，其都比较微弱。常规的心电信号是mV级信号且主要能量成分集中在0.05-100Hz[4-5]。在心电参数检测前置放大电路中选用AD8630ARUZ运算放大器，它有着超低失调，零漂移和偏置电流等特点，而且还具有低噪声，高共模抑制比优点。首先经过RC滤波滤掉高频干扰成分，后续为了使人体与导联电路高度隔离采用电压跟随器电路作为输入缓冲器，一方面可以提高放大器的输入阻抗，克服电极与皮肤接触电阻引起的信号衰减，增加采集心电信号时的共模抑制比和心电描记幅度；另一方面，较低的输出阻抗可确保有效地驱动后级导联电路工作。然后取出平均交流共模电压送入对共模信号具有很强抑制作用的右腿驱动电路反向放大，不仅能够降低工频干扰且减小人体共模干扰的绝对值；当人与地之间出现高电压时，能使运算放大器饱和起到保护作用。

前置放大电路的输出水平没有满足放大要求，因此需加设二级放大电路。选择AD8237ARMZ仪表放大器，其具有高输入阻抗，零漂移，1-1000增益调整等特点。可以通过调节二级放大电路的最佳放大倍数来调整总增益倍数，最后再对放大后的心电信号施加一偏置电压以提升电平将信号转变至符合A/D转换输入要求的模拟信号。

2.2 血氧参数测量电路

血氧饱和度的测量利用血液中的不同成分对同一种光的吸收比率不同，测量出透射光部分的衰减程度就能依次分析出血液中不同成分的含量[6-7]。在检测中采用红光与近红外光，波长分别为660纳米940纳米，被组织反射、散射和吸收后，最后通过光电检测到信号，然后通过下面的公式便可得到结果。

（1）

采用SGM3005XMS模拟开关并通过一个低噪声LDO稳压器MIC5205-YM5.0来控制红光Red和红外光IRed开关分时通断，由于分时点亮血氧探头上壁的LED故其交替发出红光和红外光，探头下壁的光电检测器将透射过手指的光信号转换成电信号，经过磁珠FB1、FB2后加到差分放大电路且经过滤波，便可提取有效信号。最后通过AD8237ARMZ仪表放大器放大，再由电平提升使信号符合A/D转换输入要求的模拟信号。

2.3 血压测量电路

测量血压时需要血压袖带充气和放气去检测，可采用气泵和气阀来控制其电动充放气，选择控制电机正转来进行充气，根据传感器测量到的压力信号大小控制气阀开通来逐级放气过程。压力传感器MPXM2053GS将人体血压检测信号转换成电压信号，然后同样地经过放大、滤波、电平提升，使其符合A/D转换输入要求的模拟信号。

2.4 A/D转换

PSoC4内置一个逐次逼近型模数转换器（SAR ADC），它支持12位的分辨率，工作在18MHz时每秒能采样高达100万次[8]。SAR ADC前端是一个多路选择器（SARMUX），支持外部管脚信号或者内部信号，最多支持8路可独立配置的输入通道，另外还支持一路额外的插入通道。定序器（SARSEQ）用于控制SARMUX和SAR ADC以实现按照配置的模式进行扫描。SARSEQ的存在使得所有的控制可完全不依赖于处理器，它同时还提供了一些简单的预处理功能，比如对输出数据进行平均，超限处理等等。

3系统软件设计

3.1 系统资源配置

赛普拉斯公司推出的PSoC Creator集成开发环境为软件设计提供了丰富的模块，可视化编程和灵活的引脚分配能轻松完成项目的设计。在图形界面下双击要选用的模块就可以将它添加到自己的设计中，借助软件提供的简便易用的连接功能完成相应的连接，通过“生成应用程序（ Generate Application）”命令自动生成C及汇编的API函数，在应用程序中直接调用API函数即可。如下图2所示是在上述开发环境中模块SAR ADC转换器的配置图。

在配置PSoC4内部资源时，如双击SAR ADC组件即可配置自己想要的功能，如采样时间、ADC参考电压、多通道采样还是单端输入或是差分输入都能灵活配置。系统中应用的“UART”组件，根据要求配置其波特率、校验位和数据位便能实现跟蓝牙模块连接通信[9]。通过PWM组件完成LCD背光灯控制，让液晶显示效果更人性化，也利于降低产品的功耗。还有PSoC4的CapSense模块支持全面的触控感应，利用电容感应来实现按键、滑条、触摸板以及接近感应，可灵活配置无需外界机械按键。

3.2 系统软件流程图

对于文中健康监护系统软件的设计流程图如下图3所示。

4 实验结果

PSoC4具有丰富的片上资源，可视化图形编程模式，可灵活配置，易扩展，功能强大，高可靠性为此次健康监护系统的设计提供了快速开发应用。经过此次设计较好地完成了预期的设想，实现了硬件系统和软件系统的设计，完成了系统调试。测试结果如下图4所示，证明其符合医疗监护产品的设计要求。

5 结语

综上，本文设计的健康监护系统实现了人体生理参数的长时间实时采集监测功能。选取心电、脉搏血氧、血压这三个对人体十分重要的体征参数建立人体生理参数的采集系统，且能在液晶屏上实时显示，通过蓝牙无线还能将监测结果实时传输至手机或PC端，使得用户测量结果可以通过网络向远程医疗服务中心进行数据上传、备份，进过医生专家的分析还能将诊断治疗结果反馈至用户。此健康监护系统具有低功耗、高便携性、简单可靠等特点，适合在家庭、养老院、健身房等场所中使用，不会影响用户的日常活动，在便携式医疗健康监测设备开发相关领域具有较好的应用前景，对推广日常心电、血压监测与预防心脏病、高血压等有着重要的意义。

参考文献

[1]王文，朱曼璐，王永军 等.中国心血管病报告2012概要[J].中国循环杂志，2013，28（6）：408-412.

[2]张朋，焦腾，王健琪 等.基于3G网络的远程心电监护系统的研制[J].医疗卫生装备，2013，34（7）：7-8，11.

[3]薛冰冰，吴书裕，李亚萍 等.基于STM32的微型多参数健康监护终端的设计[J].电子技术应用，2014，40（2）：12-15.

[4]周兵，纪晓亮，张海峰 等.基于ARM技术的便携式心电监护仪的设计[J].电子测量技术，2009，32（4）：80-82，86.

[5]陈昕，钟云鹏，杨月婷 等.便携式心电信号采集电路设计[J].国外电子测量技术，2010，29（12）：62-65.

[6]钱建秋，忻尚芝，侯文.手指脉搏血氧饱和度光电检测装置的研制[J].上海理工大学学报，2010，（2）.

[7]王婷，李志园.基于MATLAB的血氧饱和度的模拟检测[J].技术与市场，2011，18（9）：10-11.

[8]朱明程，李晓滨.PSOC原理与应用设计[M].机械工业，2008.

[9]张志远，郑晟，韩立强 等.基于蓝牙技术的嵌入式网络接入点设计与实现[J].电视技术，2013，37（23）：116-118，154.

收稿日期：2016-03-04

作者简介：崔明仁（1989―），男，汉族，湖北黄冈人，上海电力学院电子与信息工程学院电工理论与新技术专业2013级研究生，研究方向：智能穿戴、便携式医疗监护系统。