一种用于实现心电三导联的PCBA组件

一种用于实现心电三导联的pcba组件
技术领域
1.本发明涉及心电检测技术领域，尤其涉及一种用于实现心电三导联的pcba组件。


背景技术：

2.心电信号是人体极为重要的生理信号，心电监测是对心肌炎、心肌缺血等心脏疾病的重要分析方法，目前能对心电信号准确测量的设备通常只能单一测量心电信号，无法结合其他传感信息如呼吸情况来进行健康判断；而常见的多传感信息测量的可穿戴设备往往测试精度不高，难以完全满足实际应用需求。


技术实现要素：

3.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种用于实现心电三导联的pcba组件。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.一种用于实现心电三导联的pcba组件，包括：
6.心电前端模块，用于对三导联心电信号进行接收并处理，以及将处理后信号传送至微控制器；
7.微控制器，用于对接收到是信号数据进行处理，并通过蓝牙模块将处理后的数据发送至外部系统；
8.电源模块，用于为整个pcba组件供电。
9.进一步地，所述心电前端模块包括心电芯片、心电芯片外围电路、退耦电路以及静电保护电路；
10.所述心电芯片和心电芯片外围电路用于实现对心电三导联信号的接收与处理；所述退耦电路及静电保护电路用于实现对心电芯片的保护。
11.进一步地，所述pcba组件还包括其他辅助设备模块，所述其他辅助设备模块用于对其他传感信息进行接收并处理，以及将处理后的信号传送至微控制器。
12.进一步地，所述其他辅助设备模块包括运动检测部分、数据存储芯片和呼吸检测部分。
13.进一步地，所述微控制器包括主控芯片和主控芯片外围电路。
14.进一步地，所述蓝牙模块包括蓝牙模组和蓝牙外围电路。
15.进一步地，所述心电前端模块与微控制器之间采用串行外设接口(spi)进行通信。
16.进一步地，所述蓝牙模块与微控制器之间采用异步收发传输器(uart)进行通信。
17.进一步地，所述运动检测部分采用三轴加速度计来实现，所述三轴加速度计与微控制器之间采用集成电路总线(i2c)进行通信。
18.进一步地，所述电源模块包括系统总电源、模拟部分供电、数字部分供电；
19.其中，系统总电源采用软包锂电池供电，模拟部分供电与数字部分供电采用不同降压器件输出供电。
20.本发明的有益效果是：本发明开发的组件具有体积小、质量轻的优点，能够提高健康监测设备穿戴舒适性，此外还具有多导联多传感结合的特点，可通过多项健康指标提高健康监测的工作稳定性，最后该组件具有接近专业级的心电传感电气性能，基本满足对健康问题进行监测的准确性。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
22.图1是本发明实施例中一种用于实现心电三导联的pcba组件的硬件架构图；
23.图2是本发明实施例中心电前端模块的电路图；
24.图3是本发明实施例中其他辅助设备模块的电路图；
25.图4是本发明实施例中微控制器和蓝牙模块的电路图；
26.图5是本发明实施例中电源模块的电路图；
具体实施方式
27.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
30.此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
31.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
32.如图1所示，本实施例提供一种用于实现心电三导联及其他传感信息检测的pcba组件，包括：
33.心电前端模块，用于对三导联心电信号进行接收并处理，以及将处理后信号传送
至微控制器；
34.其他辅助设备模块，用于对其他传感信息进行接收并处理，以及将处理后的信号传送至微控制器；
35.微控制器，用于对接收到是信号数据进行处理，并通过蓝牙模块将处理后的数据发送至外部系统；
36.电源模块，用于为整个pcba组件供电。
37.在一些实施例中，所述心电前端模块包括心电芯片、心电芯片外围电路、退耦电路以及静电保护电路；心电芯片外围部分用于实现对心电三导联信号的接收与处理；退耦电路用于防止前后电路网络电流大小变化时，在供电电路中所形成的电流冲击对心电芯片正常工作产生影响；静电保护电路用于防止静电对心电芯片造成损坏。
38.在一些实施例中，所述其他辅助设备模块包括运动检测部分、数据存储芯片和呼吸检测部分。为同时获取用户的呼吸以及活动数据，设备可搭载柔性拉伸传感器以及商用化三轴加速度计，分别对用户胸廓的呼吸起伏和日常活动时躯干的加速度指标进行记录；数据存储芯片用于对检测到的各类数据进行存储。
39.进一步作为可选的实施方式，心电检测采用肢体导联与一个胸导联构成三导联方案，呼吸检测采用柔性拉伸传感器记录胸廓的呼吸起伏，运动检测采用三轴加速度计记录加速度指标。
40.在一些实施例中，所述微控制器包括主控芯片和主控芯片外围电路。所述蓝牙模块包括蓝牙模组和蓝牙外围电路。主控芯片主要对系统进行逻辑控制比如接收指令以、发起串行通信从集成运放中取出心电数据以及将数据转换为特定格式后，以串行通信发送给蓝牙模块进行无线传输，主控芯片还需要对其他传感器的数据进行获取，同时在必要时按照一定的逻辑将数据写入或读出存储器；蓝牙模块则负责上传数据，使设备实现穿戴移动化。
41.在一些实施例中，蓝牙模组与主控芯片采用异步收发传输器(uart)通信，三轴加速度计与主控芯片采用集成电路总线(i2c)通信，心电芯片及数据存储芯片与主控芯片采用串行外设接口(spi)通信。
42.以下结合附图及具体实施例对上述组件进行详细解释说明。
43.参见图2，在本实施例中，所述心电前端模块包括：心电芯片、心电芯片外围电路、退耦电路以及静电保护电路。
44.对于心电信号的检测，需要高输入阻抗、低噪声的运算放大器，在专业级应用下，还对运算放大器件提出高速、多通道的要求，可选用德州仪器公司ads1293芯片。该心电芯片供能及外围电路设计采用芯片数据手册实例，在本技术中，为保护心电前端芯片，对芯片的数字和模拟供电的前一级均采用1μf和100nf并联的电容构成退耦电路进行退耦处理；电极与用户皮肤直接接触，考虑干燥环境下使用可能的静电对器件的损坏，心电处理前端芯片输入采用静电保护(esd)二极管并联接地构成静电保护电路。
45.参见图3，在本实施例中，所述其他辅助设备模块包括运动数据收集的三轴加速度计、数据存储芯片和用于呼吸检测的柔性拉伸传感器。
46.运动检测和数据存储，可分别采用上海矽睿公司三轴加速度计qma7981和华邦电子公司nor flash存储器w25q128jwpiq，呼吸检测部分，在pcba组件上预留焊盘连接柔性拉
伸传感器件，其中标号a对应紧身背心上的柔性拉伸传感器一端引出电极，传感器另一端电极接地，与电位器r13构成串联分压电路。电路中点标号a电压经过由r14和c15构成的4.83hz低通滤波器后由微控制器转换。
47.参见图4，在本实施例中，所述微控制器包括主控芯片和主控芯片外围电路，所述蓝牙模块包括蓝牙模组和蓝牙外围电路。可分别选用意法半导体公司stm8l151为主控及唐山宏佳电子公司hj-131为蓝牙模组。蓝牙模组与主控通信采用异步收发传输器(uart)通信，三轴加速度计与主控通信采用集成电路总线(i2c)通信；数据存储芯片与主控通信采用串行外设接口(spi)通信；柔性电阻式传感器的串联分压检测电路输出电压信号，由主控芯片数模转换接口转为数字量。控制器电源输入采用π型滤波器消除纹波，工作时钟由内部高频rc震荡电路提供。spi通信涉及两个器件，需要分别设置片选引脚(cs_flash、cs_ads)，同时器件要求拉低有效，因此为保证器件选择正常，分别设置上拉电阻。ads_dr标号对应为心电前端芯片的数据准备指示引脚，此处设计为用于触发微控制器中断，低电平有效。status标号对应为蓝牙模组连接指示引脚，此处设计为用于触发微控制器中断，上升、下降沿有效。b标号对应柔性拉伸传感器的串联分压电路中点，微控制器采用模数转换收集传感器响应数据。i2c器件在标准速度模式下通信，考虑低功耗设计，上拉电阻取较大值。
48.参见图5，在本实施例中，所述电源部分包括系统总电源、模拟部分供电、数字部分供电。根据前述实施例中各芯片要求，电源部分需要提供的电压为：(1)模拟部分大于等于2.7v；(2)数字部分大于等于1.8v。系统总电源可采用一个120mah-3.7v软包锂电池供电，考虑电源纹波和系统功耗，模拟部分供电为低压差线性稳压器(ldo)以求低电源纹波；数字部分供电为开关电源直流电压转换电路(dc-dc)以求实现较高电源效率。电源部分还有一指示灯用于指示电源情况。
49.综上所述，本pcba组件可用于心电三导联及运动信息、呼吸情况的精确检测，可结合多健康指标对使用者进行健康监控，同时，其具备的蓝牙模块可轻易实现数据上传云端服务器，使设备实现移动穿戴功能。
50.在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
51.尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
52.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种用于实现心电三导联的pcba组件，其特征在于，包括：心电前端模块，用于对三导联心电信号进行接收并处理，以及将处理后信号传送至微控制器；微控制器，用于对接收到是信号数据进行处理，并通过蓝牙模块将处理后的数据发送至外部系统；电源模块，用于为整个pcba组件供电。2.根据权利要求1所述的一种用于实现心电三导联的pcba组件，其特征在于，所述心电前端模块包括心电芯片、心电芯片外围电路、退耦电路以及静电保护电路；所述心电芯片和心电芯片外围电路用于实现对心电三导联信号的接收与处理；所述退耦电路及静电保护电路用于实现对心电芯片的保护。3.根据权利要求1所述的一种用于实现心电三导联的pcba组件，其特征在于，所述pcba组件还包括其他辅助设备模块，所述其他辅助设备模块用于对其他传感信息进行接收并处理，以及将处理后的信号传送至微控制器。4.根据权利要求3所述的一种用于实现心电三导联的pcba组件，其特征在于，所述其他辅助设备模块包括运动检测部分、数据存储芯片和呼吸检测部分。5.根据权利要求1所述的一种用于实现心电三导联的pcba组件，其特征在于，所述微控制器包括主控芯片和主控芯片外围电路。6.根据权利要求1所述的一种用于实现心电三导联的pcba组件，其特征在于，所述蓝牙模块包括蓝牙模组和蓝牙外围电路。7.根据权利要求1所述的一种用于实现心电三导联的pcba组件，其特征在于，所述心电前端模块与微控制器之间采用串行外设接口进行通信。8.根据权利要求1所述的一种用于实现心电三导联的pcba组件，其特征在于，所述蓝牙模块与微控制器之间采用异步收发传输器进行通信。9.根据权利要求4所述的一种用于实现心电三导联的pcba组件，其特征在于，所述运动检测部分采用三轴加速度计来实现，所述三轴加速度计与微控制器之间采用集成电路总线进行通信。10.根据权利要求1所述的一种用于实现心电三导联的pcba组件，其特征在于，所述电源模块包括系统总电源、模拟部分供电、数字部分供电；其中，系统总电源采用软包锂电池供电，模拟部分供电与数字部分供电采用不同降压器件输出供电。

技术总结
本发明公开了一种用于实现心电三导联的PCBA组件，属于心电检测技术领域。该PCBA组件包括：心电前端模块，用于对三导联心电信号进行接收并处理，以及将处理后信号传送至微控制器；微控制器，用于对接收到是信号数据进行处理，并通过蓝牙模块将处理后的数据发送至外部系统；电源模块，用于为整个PCBA组件供电。本发明开发的组件具有体积小、质量轻的优点，能够提高健康监测设备穿戴舒适性，此外还具有多导联多传感结合的特点，可通过多项健康指标提高健康监测的工作稳定性，最后该组件具有接近专业级的心电传感电气性能，基本满足对健康问题进行监测的准确性。进行监测的准确性。进行监测的准确性。


技术研发人员：鲁啸宇 谢颖熙 李泽泓 陆龙生 吴小华 梁展博 杨舒
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/9/6