陈 妮， 黄代政， 张国栋

(广西医科大学 基础医学院 生物医学工程系，广西 南宁530021)

人体生理参数测量系统低功耗设计与实现*

陈 妮， 黄代政， 张国栋

(广西医科大学 基础医学院 生物医学工程系，广西 南宁530021)

为解决无市电情况下人体生理参数的长期监测问题，采用近年新推出的光反射器NJL5501R和心电监护模拟前端芯片AD8232，利用动态电源管理、动态时钟频率控制等低功耗技术，设计了一种以STM32L152微处理器为核心的人体生理参数测量系统。实验结果表明：该系统能够完成人体血氧、心电、温度等参数的测量，具有低功耗、小体积的特点，可实现生理参数的长时间监测。

NJL5501R； AD8232； 低功耗； STM32L152； 人体生理参数

0 引 言

血氧饱和度、脉搏、心电和体温等是反映人体生理健康状态的常用参数，集成以上参数检测功能的测量系统广泛应用于医院监护、远程医疗、家庭保健。目前，人体参数测量系统从实现架构上主要分为两种类型：第一类是以计算机平台为核心，结合数据采集前端形成的监护设备。数据采集前端将采集到的人体生理参数上传到计算机，由计算机进行进一步的分析处理[1,2]。这类设备功能强大，精度高，价格昂贵，主要用于医院的监护系统。第二类是以嵌入式系统为核心的便携式设备。数据的采集、分析和处理由微处理器完成[3～5]。这类设备只能测量一项或两项人体生理参数，功能单一，但使用简便，多用于社区医院和家庭保健。能够测量人体多项生理参数的低功耗、便携式产品比较少见。

针对上述情况，本文以低功耗技术为核心，从器件选型、电源的动态管理、系统工作模式设置等方面进行综合考虑，设计了一种低功耗、便携式的人体生理参数测量系统。

1 系统框图

系统框图如图1所示。

图1 人体参数测量系统框图

以STM32L152微处理器为系统核心，微处理器通过内部自带的A/D转换器对血氧信号、心电信号进行采样；通过通用输入/输出端口(GPIO)模拟SMBus总线来采集温度信息。数据信息可以暂存在SPI接口的存储器模块，或者通过蓝牙模块实时上传到计算机。按键用于各生理信号采集模块间的功能切换。测量结果可以在低功耗的液晶屏上显示。

2 系统硬件设计

2.1 电源模块设计

系统使用一个方形3.7 V锂聚合物电池，电池经电源稳压芯片TPS78230DDCR稳压后为各模块供电。TPS78230是一种低功耗、单路固定输出型稳压芯片，其最大输出电流为150 mA。该芯片具有电压关断功能，可实现微处理器对各模块的动态电源管理。当某个模块处于非工作状态时，微处理器将稳压芯片使能端EN置为低电平,即可关断电路模块的供电回路。此时，TPS78230芯片仅消耗0.5 μA的电流。

2.2 血氧脉搏采集模块设计

近几年，日本新开发出一种光反射器NJL5501R。该传感器集成了波长660 nm的红光LED、波长940 nm的红外线LED以及一个光电晶体管，是业界内首次将2个LED和光电晶体管集成为单片的，体积仅为1.9 mm×2.6 mm×0.8 mm。该光反射器测量简单，精度高，尤其适用于低功耗便携设备的开发中。具体实现电路如图2所示。

图2 血氧采集电路

血氧电路的工作原理就是利用人体血液对两种不同波长光线吸收率的差异性，将两种光线分别照射指尖动脉血管，通过反射光强度来计算血氧饱和度[6]。计算公式如式(1)

(1)

式中 Iac1为红光LED在光电二极管上形成的交流电流分量，Iac2为红外线LED在光电二极管上形成的交流电流分量。血氧饱和度SaO2与R形成一种非线性函数关系，通常需要标定得到正确的数值。

电路的工作过程如下：微处理器通过IO1和IO2控制三极管交替工作，将不同波长的光线投射到指尖上；利用自带的D/A转换器，输出DACOUT1控制BG3自动调节发射光的强度。经手指反射回来的光由LTC6244的U4A部分构成的跨阻抗放大器实现检测。LTC6244的U4B部分为后级放大器提供了约300mV的偏置电压，以避免单电源工作的运算放大器在地电位附近造成信号失真。检测到的微弱电流信号从LTC6244的1脚输出后进入OPA2244的6脚。OPA2244的U5B部分实现截止频率为10Hz的二阶巴特沃斯低通滤波器，用于滤除采集信号的50Hz工频干扰。信号经滤波后输入到OPA2244的U5A。该部分电路为信号提供偏置，并放大，最后通过OPA2244的1脚与微处理器相连。DACOUT2是微处理器为U5A提供的可动态调节的偏置电压。

2.3 心电采集模块设计

心电采集模块采用ADI公司的单导联心电监护模拟前端芯片AD8232。AD8232集成了高精度仪表放大器、右腿驱动电路、有源滤波器等电路单元；具备导联脱落检测，心电信号快速恢复，低功耗待机模式等功能。具体实现电路如图3所示。

图3 心电采集电路

将两金属电极片安放在双手采集心电信号，经AD8232引脚2，3输入。引脚5为右腿驱动输入口。内部仪表放大器固定放大倍数为100倍，第二级放大器增益由(1+R26/R25)设定。根据图3中电阻取值，第二级放大器的放大倍数为11倍。电路设置了一个7 Hz的二阶高通滤波器和一个24 Hz的二阶低通滤波器，用于消除运动伪像和外部噪声干扰。

当导联脱落时，AD8232引脚11和12输出高电平，STM32L152的GPIO4，GPIO5端口检测到高电平时，通过GPIO3口输出低电平使得AD8232进入低功耗关断模式。此模式下芯片的静态电流小于 200 nA。

2.4 体温采集模块设计

系统采用MLX90615高精度、非接触式红外温度传感器进行人体温度测量。MLX90615在小型TO—46封装中，集成了红外探测芯片、低噪声运算放大器和高性能数字信号处理器(DSP)运算单元，输出温度分辨率可达0.02 ℃。

传感器在SMBus工作方式下[8]，微处理器可以通过发送休眠指令，让MLX90615进入休眠模式。此时，传感器消耗的电流仅为1.1 μA。

2.5 存储器模块设计

存储芯片采用容量达128 Mbit的M25P128。芯片M25P128引脚1为芯片使能端，当该引脚为低电平时，芯片进入低功耗模式，此时芯片消耗的电流为100 μA。

3 系统软件设计

系统软件在结构上分为中断服务程序和主程序。中断程序负责数据的采集、处理与存储，主程序负责计算数据的最终结果，并输出显示。主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

在软件设计上采取多种处理方式以降低系统功耗：1)主程序中一旦没有数据需要处理，系统立即进入休眠模式，避免能源消耗。2)软件根据不同时间段的不同功能，动态关断不需要工作的电路模块，实现电源的优化配置。3)软件根据用户选择功能的运算量大小，合理设置系统时钟。当用户选择单一的体温连续监测，软件则将系统时钟设置在较低的频率，这样可以减少微处理器的功耗。软件也可根据需要动态调节系统时钟，以达到较优化的配置。

数据的采集通常由定时器中断程序完成，其中血氧和脉搏测量的中断程序框图如图5所示。

图5 血氧采集中断程序流程图

程序设定定时器中断周期为1 ms，控制2只LED交替工作。第n次定时器中断红光LED工作时，需要等待一小段时间，以便跨阻抗放大器完成电荷的积聚。微处理器利用等待时间，将第(n-1)次中断红外线LED工作时的数据进行处理，并为第(n+1)次中断做好准备。这种工作方式减少了微处理器等待时间，降低了电路功耗。最后根据式(1)计算血氧饱和度，为减少微处理器的计算量，将R和SaO2的关系列成表格存储在Flash中，得到R值后，通过查表得到SaO2。减少微处理器的运算量也是本系统降低系统功耗的有效手段之一。

4 测试实验

系统测试包括模块的功能测试和功耗测试。

4.1 心电采集测试

采用模拟心电信号产生的信号发生器作为心电模块的输入，图6(a)为AD8232输出的原始心电信号波形，该信号包含较大的噪声。经过STM32L152处理器的数字带通滤波器后，得到的心电波形如图6(b)所示。

图6 原始心电信号和数字滤波后心电信号

从图6(b)的测试波形可以看出，AD8232结合数字滤波能够得到质量较高的心电波形。

4.2 血氧测量测试

系统进行标定后，对5名身体状况正常的志愿者进行血氧饱和度的实验测量。将测试结果与标准样机的测量结果对比，如表1所示。

表1 血氧饱和度测量结果

对比实验样机和标准样机的测试结果可以看出，系统能完成SaO2测量功能。

4.3 红外体温测试

测量1名志愿者4个部位的体温,将测试结果与格朗W—3电子体温计的测量结果对比，如表2所示。

从表2看到：两种测试方法的测量结果比较相近。系统设计的红外温度采集模块可以满足人体温度测量要求，且采用MLX90615的测温速度要比格朗W—3电子体温计快得多。

表2 红外测温结果 ℃

4.4 系统功耗测试

对系统各个模块在工作和休眠时的电流进行测试。测量结果如表3所示。

表3 实验数据

序号1～5依次代表：微处理器模块、血氧模块、心电模块、红外测温模块、存储模块。由于各模块有多种工作方式，表格中所测数据为模块最大功耗时的电流值。血氧模块中LED工作时消耗电流最大，但是在整个测量过程中LED的工作时间只占总测量时间的1/2，该模块工作的平均电流不到20 mA。由数据可知，即使在最大负荷的情况下，一颗1 800 mAh的电池也能维持系统工作24 h以上，满足了人体生理参数长时间持续监测的需求。

5 结 论

本文设计的人体生理参数测量系统，采用光反射器NJL5501R、心电监护模拟前端芯片AD8232和MLX90615红外温度传感器来实现各信号采集模块，并充分利用动态电源管理，动态时钟频率控制等低功耗技术，优化软硬件设计，实现了人体生理参数的长时间监测。

[1] 韩 泊,苗长云.基于ZigBee的人体心电信号无线监测系统的设计[J].计算机测量与控制,2014,22(7):2067-2069.

[2] 张爱华,赵治月.基于心电脉搏特征的视觉疲劳状态识别[J].计算机工程,2011,37(7):279-281.

[3] 孙旭东,张 跃.基于AD8232和MLX90615的心电与体温测量系统设计[J].传感器与微系统,2014,33(9):81-84.

[4] 刘俊微,庞春颖.光电脉搏血氧仪的设计与实现[J].激光与红外,2014,44(1):50-55.

[5] 郭 涛,曹征涛.基于MSP430的远程无线体温测量系统[J].电子设计工程,2013,21(16):30-35.

[6] 杨 博,冒晓莉.反射式小鱼际脉搏血氧计的研制及人体实验校准[J].仪器仪表学报,2014,35(1):69-75.

[7] 钟 君,蔡黎明,于 涌.基于MLX90614的无线温度采集系统设计[J].传感器与微系统,2015,34(3):87-93.

Low power consumption design and realization of human physiological parameters measurement system*

CHEN Ni, HUANG Dai-zheng, ZHANG Guo-dong

(Department of Biomedical Engineering,College of Basic Medicine,Guangxi Medical University,Nanning 530021,China)

In order to solve the problem of long-term monitoring on human physiological parameters in the absence of city electricity,adopt new light reflector NJL5501R and analog front-end chip for ECG monitoring AD8232 at present,design a measurement system of human physiological parameters based on STM32L152,using low power consumption technology,such as dynamic power management,dynamic clock frequency control.The experimental results show that the system can complete the measurement of human blood oxygen,ECG and temperature parameters,features with low power consumption,small volume,it can monitor the physiological parameters long-term.

NJL5501R; AD8232; low power consumption; STM32L152; human physiological parameters

10.13873/J.1000—9787(2017)03—0080—04

2016—03—24

国家科技支撑计划项目(2013BAH08F03)

R 318.6

A

1000—9787(2017)03—0080—04

陈 妮(1982-),女，硕士，讲师,从事生物医学工程(医疗仪器方向)研究工作。

张国栋(1977-)，男，通讯作者，博士，从事生物医学工程(医疗仪器方向)研究工作，E—mail:gzhang2009@gmail.com。