可穿戴医疗的精密设计电路图剖析

接线图 2023年10月06日 20:30 201 admin

可穿戴在电子行业掀起爆炸性狂潮已是不争的事实，而可穿戴医疗将是最先突围的应用之一。本文整合了用于可穿戴医疗的设计电路图，从MCU、传感器、无线模块、电源、语音报警系统几个方面，剖析可穿戴哪些精密设计!

精密设计之MCU

基于EFM32TG840的便携式心率计的设计

在消费电子领域，便携式电子产品由于体积小、质量轻的特点越来越受到消费者的喜爱，已成为人们生活中不可缺少的部分。基于这个思路，我们设计了一款便携式心率计，它可以替代用脉搏听诊器等进行测量的传统方法，使用非常方便。该产品主要包括三个部分：信号的采集、数据处理以及LCD显示和报警电路。

电压跟随器的输入信号，即脉搏传感器信号从V+端输入，反馈电阻置零，构成一个同相跟随器，起到缓冲作用，隔离前后级的影响。心音脉搏放大器的功能是将mV级的心音信号放大到V级，以供显示和记录使用。

由于在实际应用中，外界信号的干扰，以及考虑到放大器的稳定性，一级放大器不能实现如此大的增益，所以电压放大器一般由两级组成。其中，前级采用负反馈差动放大电路，以提高共模信号抑制比。此部分的关键是如何抑制各种噪声，避免让噪声窜入后级电路。因此在系统中，采用基于双运放电路的微功耗仪表放大器 LM358作为心音脉搏信号的前级放大器。为防止产生非线性失真以致损害电路的共模抑制比，该部分的放大倍数不宜过高，选择为1000倍左右。

下面的部分主要包括单片机控制显示电路以及驱动蜂鸣器的报警，具体电路如图4所示。

jiexiantu技术编辑点评：本设计通过数模混合电路结合单片机控制的设计实现了对心率信号的实时测定，并能发出警告。整个电路尽量考虑到各方面的因素，做到线路简单，减小电磁场干扰，充分利用软件编程，弥补元器件的精度不足，另外由于引入了世界上超低功耗的ARM—EFM32，使得待机时间超长，功能升级空间也很大，还可以以该设计为基础加载其他功能，使其功能和结构更加完善，扩展至对人体其他生理状态的测定。

精密设计之传感器

穿戴式多参数监测智能系统电路设计

传感器负责测量心率、体温等生命体征参数的采集。考虑到本系统可穿戴式的特点，在传感器的选型方面，尽量选用集成化，灵敏度和精度高的产品，这样既能减少系统电路的面积，便于穿戴，又能提高系统的稳定性和可靠性。

血压采集模块采用Freescal公司生产的 MPXV5050GP压电传感器，将其置于衣袖中部肘关节内侧，这样可以直接将动脉血液对血管壁的压力转换为输出电信号，具体电路如图2所示。该传感器采用离子注入工艺，内部集成了放大器，滤波器等信号处理单元电路，外部只需要很少的元件即可工作。在输出端输出经过放大和整形的电信号，这样就直接将传感器的输出端接入ADμC7024内部集成的12位ADC进行模数转换。再经过软件处理得到血压值。

体温采集模块采用Maxim公司的模拟温度传感器MAX6612检测体表温度。MAX6612采用5 PIN的SC70封装，最大工作电流仅为35μA，具有功耗低、精度高、体积小的特点，并对ADC做了电路上的优化，适合本系统的应用。具体的体温采集电路如图4所示。

本系统采用蓝牙模块实现与内嵌蓝牙功能的外部设备的数据交换。为减小系统体积、减轻系统质量和降低功耗，本蓝牙模块采用Class-2设计方案，USB输出，传输距离为10 m，支持蓝牙2.0版本协议能够满足系统的需求。蓝牙芯片采用CSR公司的BC417413，芯片内部集成了8 MB闪存，主要存放的是基带、链路管理层和主机控制接口的软件，还包括一些API，用于对芯片进行配置。前端射频带通滤波器选用MDR771F-CSR- T，巴伦采用TDK公司的HHM-1517完成系统的差分射频信号和天线输入输出信号之间的转换。具体设计方案原理图如图5所示。

jiexiantu技术编辑点评：系统将传感器、织物电缆和柔性电路板有机结合到服装中，实现了在日常生活以及作业环境下对多生理参数的动态、协同监测，具有生理信号检测、信号特征提取功能，并利用蓝牙技术完成数据的备份，以便于进一步分析，也可以利用具有蓝牙功能的通信设备，实现远程医疗服务等功能。

可穿戴腕式电子血压计传感电路设计图

电路原理：本电路采用BP01型压力传感器和运放MAX4472。BP01型压力传感器是为检测血压而专门设计的，主要用于便携式电子血压计。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龙塑料封装，具有高线性、低噪声和外界应力小的特点;采用内部标定和温度补偿方式，提高了测量精度、稳定性和重复性，在全量程范围内，精度为±1%、零点失调不大于±300μV。MAX4472是MAXIM公司的一款集成了四个运算放大器的低功耗放大芯片。本系统中内部集成运放 A接恒流源，为压力传感器提供恒定的电流，运放B和运放C，运放D组成差分输入、单端输出放大电路，直接输入ADC0监视血压直流分量。

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jiexiantu技术编辑点评：电子血压计手掌大小，外形与手腕间隙更小的碗带，抗菌材料制作，数字显示血压及脉搏数。可穿戴腕式血压计由于所测的压力值为腕动脉“脉搏压力值”，对于大多数中、老年人，特别是血液粘稠度高者、微循环不佳者、血管硬化症患者等较特殊的人群，用可穿戴腕式血压计与用上臂式血压计多次测量的平均值之间，会有较大的差别——相差±1·3kPa(10mmHg)以上是很常见的。

精密设计之电源

555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。用双极性工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。

jiexiantu技术编辑点评：电路能自动检测有无接收部分工作，只有检测到确有接收器在工作，它才会连续辐射无线电能，否则就始终只工作在低能耗的检测状态。发射部分采用CMOS电路与场效应管的组合，这种组合不仅效率高，而且控制也简单易行。发射线圈采用李兹线和蛛网式绕法，以取得较高的变换效率。

精密设计之语音报警系统

语音报警电路：主要由集成语音芯片ISD2560组成。一款具有较强功能的语音录放芯片，是一种永久记忆型语音录放电路，录音时间为60s，可重复录放10万次。该芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，能够非常真实、自然地再现语音。通过事先录制好的声音，实现血压测量值的自动声音提示，如果血压高出正常血压的上下限值，还会发挥报警，提醒使用者就医。具体做法：经过一段时间(大概为正常人的一个月)的精确测量，在电脑上处理数据，得到血压的正常范围，将其上下限设置为报警范围，时时监控佩戴者的血压值，如果血压超出正常范围，则开始计时，将日期时间等数据都要记录下来，如果超出正常范围的时间超出五分钟，则开始报警提醒，提示内容为：尊敬的用户您好，此时您的血压偏高低，建议您立即进行电压测量，并服用相应的药物!