基于AFE4900的多功能護理監護儀電路設計方案

引言

隨著醫療技術的不斷進步，多功能護理監護儀在臨床監護中扮演著越來越重要的角色。本文提出了一種基于AFE4900的多功能護理監護儀電路設計方案，該方案結合了心電圖（ECG）和光電容積描記（PPG）技術，能夠實時監測患者的心率、血液中的氧氣濃度（SpO2）、脈搏傳播時間（PTT）等生理參數。本文詳細介紹了該監護儀的電路設計、主控芯片型號及其在設計中的作用。

一、系統概述

基于AFE4900的多功能護理監護儀是一種簡單、可穿戴、多參數的患者監護設備。該設備使用單芯片生物傳感前端AFE4900進行同步ECG和PPG測量，并通過CC2640R2F設備將數據傳輸到遠程位置。該監護儀使用單個CR3032電池運行，提供長達30天的電池壽命。

二、主控芯片型號及其作用

1. AFE4900

型號介紹：
AFE4900是德州儀器（TI）推出的一款超低功耗集成模擬前端（AFE），專為可穿戴光學和電生物傳感應用設計。該芯片支持同步ECG和PPG信號采集，適用于心率監測（HRM）和外周血氧飽和度（SpO2）測量等光生物檢測應用。

主要特性：

• 同步信號采集：能夠以高達1kHz的數據速率進行同步PPG和ECG信號采集。

• ECG信號鏈：支持高達4kHz的獨立ECG采集，具有可編程增益的儀表放大器（INA），輸入噪聲低，支持交流和直流導聯脫落檢測。

• PPG接收器：支持三個時分多路復用光電二極管（PD）輸入，具有高達100dB的動態范圍，通過數字環境減法改善信噪比（SNR）。

• PPG發送器：包含四個采用共陽極配置的LED，支持并行點亮兩個LED的模式，適用于SpO2或多波長HRM。

• FIFO和接口：具有128樣本深度的FIFO，支持I2C和SPI接口。

在設計中的作用：
AFE4900作為系統的核心生物傳感前端，負責同步采集ECG和PPG信號，并將這些信號轉換為數字信號以供后續處理。其低功耗特性和高動態范圍的PPG接收器使得該芯片非常適合可穿戴設備應用。

2. CC2640R2F

型號介紹：
CC2640R2F是TI推出的一款低功耗藍牙（BLE）系統級芯片（SoC），支持BLE 4.2和5標準。該芯片集成了Arm? Cortex?-M3處理器和2.4GHz射頻收發器，適用于各種低功耗無線應用。

主要特性：

• 低功耗：具有極低的睡眠模式和活動模式功耗。

• 高性能：集成高效的CPU和射頻收發器，支持高速數據傳輸。

• BLE支持：完全符合BLE 4.2和5標準，支持多種BLE服務和特性。

• 外設接口：具有豐富的外設接口，如I2C、SPI、UART等，方便與其他芯片和傳感器連接。

在設計中的作用：
CC2640R2F負責將AFE4900采集的ECG和PPG數據傳輸到遠程位置。通過BLE無線通信技術，該芯片能夠將數據實時發送到智能手機、平板電腦或醫療監護中心，實現遠程監護和數據分析。

三、電路設計

1. 電源管理

該監護儀使用單個CR3032紐扣電池供電，電池電壓為3V，容量為500mAh。為了延長電池壽命，系統采用了高效的DC/DC轉換器進行電源管理。此外，系統還包含低功耗模式和電源關斷模式，以進一步降低功耗。

2. 生物傳感前端電路

生物傳感前端電路主要由AFE4900及其外圍電路組成。該電路負責同步采集ECG和PPG信號，并將這些信號轉換為數字信號。

• ECG信號采集：通過單引線ECG輸入，使用具有RLD偏置的儀表放大器（INA）進行信號放大。INA的增益可編程，以適應不同患者的ECG信號強度。

• PPG信號采集：使用四個LED和三個光電二極管（PD）進行光學心率監測和SpO2測量。LED通過完全集成的LED驅動器進行驅動，PD的電流通過互阻抗放大器（TIA）轉換為電壓，并使用模數轉換器（ADC）進行數字化。

3. 數據傳輸電路

數據傳輸電路主要由CC2640R2F及其外圍電路組成。該電路負責將AFE4900采集的ECG和PPG數據通過BLE無線通信技術傳輸到遠程位置。

• BLE通信：CC2640R2F通過I2C或SPI接口與AFE4900連接，讀取FIFO中的數據，并通過BLE無線通信技術發送到遠程設備。

• 數據格式：傳輸的數據包括原始ECG和PPG信號，以及計算得到的心率、SpO2和PTT等生理參數。

4. 指示電路

系統包含兩個板載發光二極管（LED），用于指示電池電量低檢測和ECG引出檢測。當電池電量低于設定閾值時，電池電量低指示燈亮起；當ECG信號正常引出時，ECG引出檢測指示燈亮起。

四、軟件設計

軟件設計主要包括AFE4900和CC2640R2F的固件開發。

1. AFE4900固件設計

AFE4900的固件主要負責配置芯片的工作模式、采集ECG和PPG信號、處理數據并存儲在FIFO中。固件設計包括以下幾個部分：

• 初始化：配置芯片的工作模式、采樣率、增益等參數。

• 信號采集：同步采集ECG和PPG信號，并進行初步處理，如濾波和放大。

• 數據存儲：將采集到的數據存儲在FIFO中，等待CC2640R2F讀取。

2. CC2640R2F固件設計

CC2640R2F的固件主要負責讀取AFE4900的FIFO數據、通過BLE無線通信技術發送到遠程設備，并處理接收到的指令。固件設計包括以下幾個部分：

• 初始化：配置BLE通信參數、I2C或SPI接口參數等。

• 數據讀取：通過I2C或SPI接口讀取AFE4900的FIFO數據。

• BLE通信：建立BLE連接，將讀取到的數據發送到遠程設備，并接收遠程設備的指令。

• 指令處理：根據接收到的指令，調整AFE4900的工作模式或進行其他操作。

五、系統測試與優化

在系統設計和實現完成后，需要進行系統測試與優化，以確保系統的性能和可靠性。

1. 性能測試

性能測試主要包括以下幾個方面：

• 功耗測試：測試系統在不同工作模式下的功耗，確保電池壽命達到設計要求。

• 信號質量測試：測試ECG和PPG信號的采集質量，包括信號的清晰度、信噪比等。

• 數據傳輸測試：測試BLE通信的可靠性和穩定性，確保數據能夠實時、準確地傳輸到遠程設備。

2. 優化措施

根據性能測試結果，可以采取以下優化措施：

• 功耗優化：調整系統的工作模式，降低非必要模塊的功耗，延長電池壽命。

• 信號質量優化：優化AFE4900的信號采集電路和濾波算法，提高信號的清晰度和信噪比。

• 數據傳輸優化：優化BLE通信的參數和協議，提高數據傳輸的可靠性和穩定性。

六、結論

本文提出了一種基于AFE4900的多功能護理監護儀電路設計方案。該方案結合了ECG和PPG技術，能夠實時監測患者的心率、SpO2、PTT等生理參數。通過采用AFE4900和CC2640R2F等低功耗芯片，實現了系統的低功耗和遠程監護功能。經過系統測試與優化，該監護儀具有較高的性能和可靠性，適用于各種臨床監護場景。