基于AFE4900的多功能护理监护仪电路设计方案

引言

随着医疗技术的不断进步，多功能护理监护仪在临床监护中扮演着越来越重要的角色。本文提出了一种基于AFE4900的多功能护理监护仪电路设计方案，该方案结合了心电图（ECG）和光电容积描记（PPG）技术，能够实时监测患者的心率、血液中的氧气浓度（SpO2）、脉搏传播时间（PTT）等生理参数。本文详细介绍了该监护仪的电路设计、主控芯片型号及其在设计中的作用。

一、系统概述

基于AFE4900的多功能护理监护仪是一种简单、可穿戴、多参数的患者监护设备。该设备使用单芯片生物传感前端AFE4900进行同步ECG和PPG测量，并通过CC2640R2F设备将数据传输到远程位置。该监护仪使用单个CR3032电池运行，提供长达30天的电池寿命。

二、主控芯片型号及其作用

1. AFE4900

型号介绍：
AFE4900是德州仪器（TI）推出的一款超低功耗集成模拟前端（AFE），专为可穿戴光学和电生物传感应用设计。该芯片支持同步ECG和PPG信号采集，适用于心率监测（HRM）和外周血氧饱和度（SpO2）测量等光生物检测应用。

主要特性：

• 同步信号采集：能够以高达1kHz的数据速率进行同步PPG和ECG信号采集。

• ECG信号链：支持高达4kHz的独立ECG采集，具有可编程增益的仪表放大器（INA），输入噪声低，支持交流和直流导联脱落检测。

• PPG接收器：支持三个时分多路复用光电二极管（PD）输入，具有高达100dB的动态范围，通过数字环境减法改善信噪比（SNR）。

• PPG发送器：包含四个采用共阳极配置的LED，支持并行点亮两个LED的模式，适用于SpO2或多波长HRM。

• FIFO和接口：具有128样本深度的FIFO，支持I2C和SPI接口。

在设计中的作用：
AFE4900作为系统的核心生物传感前端，负责同步采集ECG和PPG信号，并将这些信号转换为数字信号以供后续处理。其低功耗特性和高动态范围的PPG接收器使得该芯片非常适合可穿戴设备应用。

2. CC2640R2F

型号介绍：
CC2640R2F是TI推出的一款低功耗蓝牙（BLE）系统级芯片（SoC），支持BLE 4.2和5标准。该芯片集成了Arm® Cortex®-M3处理器和2.4GHz射频收发器，适用于各种低功耗无线应用。

主要特性：

• 低功耗：具有极低的睡眠模式和活动模式功耗。

• 高性能：集成高效的CPU和射频收发器，支持高速数据传输。

• BLE支持：完全符合BLE 4.2和5标准，支持多种BLE服务和特性。

• 外设接口：具有丰富的外设接口，如I2C、SPI、UART等，方便与其他芯片和传感器连接。

在设计中的作用：
CC2640R2F负责将AFE4900采集的ECG和PPG数据传输到远程位置。通过BLE无线通信技术，该芯片能够将数据实时发送到智能手机、平板电脑或医疗监护中心，实现远程监护和数据分析。

三、电路设计

1. 电源管理

该监护仪使用单个CR3032纽扣电池供电，电池电压为3V，容量为500mAh。为了延长电池寿命，系统采用了高效的DC/DC转换器进行电源管理。此外，系统还包含低功耗模式和电源关断模式，以进一步降低功耗。

2. 生物传感前端电路

生物传感前端电路主要由AFE4900及其外围电路组成。该电路负责同步采集ECG和PPG信号，并将这些信号转换为数字信号。

• ECG信号采集：通过单引线ECG输入，使用具有RLD偏置的仪表放大器（INA）进行信号放大。INA的增益可编程，以适应不同患者的ECG信号强度。

• PPG信号采集：使用四个LED和三个光电二极管（PD）进行光学心率监测和SpO2测量。LED通过完全集成的LED驱动器进行驱动，PD的电流通过互阻抗放大器（TIA）转换为电压，并使用模数转换器（ADC）进行数字化。

3. 数据传输电路

数据传输电路主要由CC2640R2F及其外围电路组成。该电路负责将AFE4900采集的ECG和PPG数据通过BLE无线通信技术传输到远程位置。

• BLE通信：CC2640R2F通过I2C或SPI接口与AFE4900连接，读取FIFO中的数据，并通过BLE无线通信技术发送到远程设备。

• 数据格式：传输的数据包括原始ECG和PPG信号，以及计算得到的心率、SpO2和PTT等生理参数。

4. 指示电路

系统包含两个板载发光二极管（LED），用于指示电池电量低检测和ECG引出检测。当电池电量低于设定阈值时，电池电量低指示灯亮起；当ECG信号正常引出时，ECG引出检测指示灯亮起。

四、软件设计

软件设计主要包括AFE4900和CC2640R2F的固件开发。

1. AFE4900固件设计

AFE4900的固件主要负责配置芯片的工作模式、采集ECG和PPG信号、处理数据并存储在FIFO中。固件设计包括以下几个部分：

• 初始化：配置芯片的工作模式、采样率、增益等参数。

• 信号采集：同步采集ECG和PPG信号，并进行初步处理，如滤波和放大。

• 数据存储：将采集到的数据存储在FIFO中，等待CC2640R2F读取。

2. CC2640R2F固件设计

CC2640R2F的固件主要负责读取AFE4900的FIFO数据、通过BLE无线通信技术发送到远程设备，并处理接收到的指令。固件设计包括以下几个部分：

• 初始化：配置BLE通信参数、I2C或SPI接口参数等。

• 数据读取：通过I2C或SPI接口读取AFE4900的FIFO数据。

• BLE通信：建立BLE连接，将读取到的数据发送到远程设备，并接收远程设备的指令。

• 指令处理：根据接收到的指令，调整AFE4900的工作模式或进行其他操作。

五、系统测试与优化

在系统设计和实现完成后，需要进行系统测试与优化，以确保系统的性能和可靠性。

1. 性能测试

性能测试主要包括以下几个方面：

• 功耗测试：测试系统在不同工作模式下的功耗，确保电池寿命达到设计要求。

• 信号质量测试：测试ECG和PPG信号的采集质量，包括信号的清晰度、信噪比等。

• 数据传输测试：测试BLE通信的可靠性和稳定性，确保数据能够实时、准确地传输到远程设备。

2. 优化措施

根据性能测试结果，可以采取以下优化措施：

• 功耗优化：调整系统的工作模式，降低非必要模块的功耗，延长电池寿命。

• 信号质量优化：优化AFE4900的信号采集电路和滤波算法，提高信号的清晰度和信噪比。

• 数据传输优化：优化BLE通信的参数和协议，提高数据传输的可靠性和稳定性。

六、结论

本文提出了一种基于AFE4900的多功能护理监护仪电路设计方案。该方案结合了ECG和PPG技术，能够实时监测患者的心率、SpO2、PTT等生理参数。通过采用AFE4900和CC2640R2F等低功耗芯片，实现了系统的低功耗和远程监护功能。经过系统测试与优化，该监护仪具有较高的性能和可靠性，适用于各种临床监护场景。