一、方案概述

智能胎心仪是一种用于检测胎儿心率并对心跳信号进行实时监控与分析的医疗电子设备。本设计方案主要面向便携式、低功耗、高精度的智能胎心仪产品，其核心要求包括：

• 高灵敏度与低噪声：能够捕捉微弱的胎心信号，尤其在复杂环境下保持准确性。

• 稳定性与可靠性：长时间工作不发生漂移，能够抵抗电磁干扰和环境噪声。

• 无线通信：支持蓝牙等无线技术，将检测数据实时传输到移动终端或云平台，方便医生远程监控。

• 低功耗设计：采用高效电源管理方案，延长设备续航时间，适用于便携式医疗设备。

本方案主要包括电源模块、信号采集与调理模块、模拟前端电路、MCU控制模块、无线通信模块以及显示/数据存储模块。各模块之间协同工作，共同实现胎心信号的精准采集、处理与传输。

二、系统总体框架

下图为智能胎心仪PCBA的电路框图示意图（示意图仅供参考，实际电路图可能更复杂）：

             +-------------------------+
             |       电池/电源模块     |
             |  （充电、稳压、滤波电路）|
             +-------------+-----------+
                           |
                           v
             +-------------------------+
             |      信号采集调理模块    |<-----传感器：超声波换能器或压电探头
             | (前置放大、滤波、隔离)   |
             +-------------+-----------+
                           |
                           v
             +-------------------------+
             |      模拟前端电路       |
             |  (仪表放大器、ADC缓冲)   |
             +-------------+-----------+
                           |
                           v
             +-------------------------+
             |         MCU             |<-----核心控制（例如STM32系列）
             +-----+-----------+-------+
                   |           |
                   |           |
           +-------v---+   +---v----------+
           | 无线通信  |   | 显示/存储模块  |
           | (BLE模块)|   | (OLED/EEPROM) |
           +----------+   +--------------+

各个模块的作用与互联关系如下：

• 电源模块：负责为整个系统提供稳定直流电压，包含锂电池充电管理、降压稳压与滤波设计。

• 信号采集调理模块：对胎心信号进行前端预处理，利用高精度低噪声放大器和滤波电路，将弱小的生物电信号转换成适合后续ADC采样的电压范围。

• 模拟前端电路：利用仪表放大器等器件进一步放大信号，并提供抗共模干扰的能力，同时将模拟信号缓冲后输入MCU的ADC。

• MCU模块：作为系统核心，负责采集ADC数据，进行数字滤波、信号处理与心率算法计算，同时管理数据通信、显示以及存储等任务。

• 无线通信模块：通过BLE（蓝牙低功耗）模块实现与手机或其他终端设备的数据交互，支持实时数据上传与远程监控。

• 显示/存储模块：集成OLED显示屏用于本地实时显示胎心波形与心率数据，同时可通过EEPROM或SD卡对数据进行存储备份。

三、详细模块设计

3.1 电源模块设计

3.1.1 功能要求

• 稳压输出：提供3.3V和5V（如有需要）两路稳定直流电压，为MCU、传感器及外围电路供电。

• 电池充电管理：采用锂离子电池，要求具备充电保护与电池管理功能，确保设备安全、稳定运行。

• 低噪声滤波：在电源输出端采用低通滤波设计，消除高频噪声，降低对信号采集电路的干扰。

3.1.2 优选元器件及选型理由

• 锂电池充电IC：例如MCP73831

• 作用：负责电池充电控制和保护功能，具备过充、过流保护。

• 选型理由：低成本、体积小、稳定性好，适用于便携医疗设备。

• 降压稳压器：例如AMS1117-3.3或LD1117系列

• 作用：将电池电压稳定转换为3.3V供电。

• 选型理由：稳定性高、输出噪声低、成本经济，且封装常见、易于布局。

• 滤波电容与电感：选用低ESR多层陶瓷电容（如C0G/NP0）及低阻值电感

• 作用：提供电源滤波，降低高频干扰。

• 选型理由：优良的高频性能和温度稳定性，确保电源模块工作稳定。

3.2 信号采集与调理模块

3.2.1 功能要求

• 微弱信号放大：胎心信号幅值通常在毫伏级，需经过前置放大器放大到适合ADC采样的电平。

• 抗干扰处理：利用高共模抑制比（CMRR）的仪表放大器及滤波器消除环境噪声和干扰信号。

• 隔离与保护：确保高增益放大电路与MCU电路之间的电气隔离与过压保护。

3.2.2 优选元器件及选型理由

• 仪表放大器：例如AD8221

• 作用：实现高精度信号放大，同时具备良好的共模抑制能力。

• 选型理由：AD8221具有低漂移、低噪声和宽电源范围，适合生物电信号采集。

• 前置放大器/运算放大器：例如OPA2333或TLV2372

• 作用：在仪表放大器前对信号进行初级放大和缓冲。

• 选型理由：低输入偏置电流、低噪声、零漂性能好，能够保障微弱信号的准确采集。

• 滤波器设计：采用有源或无源RC滤波电路，对信号进行带通滤波（通常设计在0.5Hz～50Hz之间），有效滤除高频干扰及工频干扰。

• 选型理由：选用精密电阻与低ESR电容，保证滤波特性稳定，信号带宽与胎心信号匹配。

3.3 模拟前端电路

3.3.1 功能要求

• 信号缓冲：将前级调理后的信号缓冲输出，确保信号驱动能力满足MCU ADC采样要求。

• 抗干扰保护：在信号输入端加入保护电路，如过压、浪涌保护电路。

3.3.2 优选元器件及选型理由

• 运算放大器缓冲级：例如使用LM358或更高精度的OPA377

• 作用：作为缓冲放大器，提供低输出阻抗和较高的驱动能力。

• 选型理由：LM358价格低廉且广泛应用，但若要求高精度可选择OPA377，具备更低噪声和更宽的工作温度范围。

• 保护元件：如TVS二极管、稳压二极管

• 作用：用于抑制瞬态过电压、静电放电保护。

• 选型理由：器件响应快，保护效果显著，能有效保护敏感模拟电路。

3.4 MCU控制模块

3.4.1 功能要求

• 数据采集处理：内置高精度ADC模块，实时采集胎心信号，并进行数字滤波、降噪与心率计算。

• 多任务处理：协调控制无线通信、显示更新、数据存储等功能。

• 低功耗管理：支持休眠模式及动态频率调控，以延长设备续航。

3.4.2 优选元器件及选型理由

• MCU选择：例如STM32F103C8T6

• 作用：作为核心控制单元，负责信号采集、数据处理、通信与外设管理。

• 选型理由：STM32F103系列具有丰富的外设接口、较高的运算性能和低功耗特性，同时开发生态成熟，便于后续二次开发。

• 外部存储及接口：可选24LC256 EEPROM用于存储历史数据；如果需要大容量存储，则采用SD卡接口。

• 选型理由：EEPROM体积小、功耗低，适合保存关键参数与历史记录；SD卡模块则方便大容量数据存储和数据备份。

3.5 无线通信模块

3.5.1 功能要求

• 数据实时传输：通过蓝牙低功耗（BLE）模块将采集到的胎心信号及处理结果传输到智能终端（手机、平板或电脑）。

• 稳定连接：保证在复杂环境下通信的稳定性和低延迟。

3.5.2 优选元器件及选型理由

• BLE模块：例如HM-10模块或采用集成BLE功能的MCU（如Nordic nRF52832系列）

• 作用：实现无线数据传输与设备配对。

• 选型理由：HM-10体积小、功耗低、通信距离适中，且已成熟稳定；如果对数据处理要求较高，则可考虑nRF52832，其集成度高、功耗更低且具有更好的通信稳定性。

3.6 显示与人机交互模块

3.6.1 功能要求

• 实时数据显示：通过OLED显示屏实时展示胎心波形、心率数值、设备状态等信息。

• 按键/触控操作：提供必要的用户操作接口，用于设备设置、数据查询及报警确认。

3.6.2 优选元器件及选型理由

• OLED显示屏：例如SSD1306驱动的0.96寸显示屏

• 作用：实现高对比度、低功耗的显示效果。

• 选型理由：SSD1306具有低功耗、简单接口（I2C或SPI）和丰富的显示模式，适合嵌入式应用。

• 按键模块及触摸传感器：可选常规按键阵列或电容触摸模块

• 选型理由：操作简单、响应迅速，能提升用户体验。

四、系统关键技术解析

4.1 信号采集关键技术

胎心信号通常极为微弱，且易受肌电、工频干扰影响。本方案采用双级放大设计：

• 前置放大阶段：利用低噪声运算放大器（如OPA2333）对传感器输出的原始信号进行初级放大，并配合RC滤波电路有效抑制高频噪声；

• 仪表放大阶段：采用AD8221仪表放大器，进一步对信号进行差分放大，提高共模抑制比，确保采集信号的准确性。

4.2 数字信号处理与算法

MCU内部的ADC对采集的模拟信号进行采样后，利用嵌入式数字信号处理算法进行降噪、滤波（如采用FIR/IIR数字滤波器）和心率计算。通过实时监控胎心波形，提取QRS波群特征，实现自动报警与数据记录。软件算法中还需考虑运动伪影、信号漂移等问题，对检测算法进行适当的补偿与校正。

4.3 无线通信稳定性保障

针对BLE通信，设计时应注意天线布局与屏蔽设计，避免因PCB走线不当导致信号衰减或干扰。结合MCU对BLE模块的调控，确保在实际使用环境中，设备能够实现稳定、低功耗的数据传输。

4.4 电源管理与低功耗设计

电源模块采用双级稳压方案，确保电源波动对信号采集无影响；同时MCU采用休眠模式及动态电压调控，有效延长续航时间。此外，通过合理布局电源滤波器件，降低电源噪声对敏感模拟电路的干扰。

五、PCB版图与布局建议

在PCB设计中，应注意以下几点：

• 分区布局：将模拟电路、数字电路、功率电路分开布置，减少相互干扰。

• 电源走线：采用多层板设计时，合理规划电源层和接地层，保证低阻抗和优良的屏蔽效果。

• 信号走线：模/数信号应尽量短直，避免弯曲和交叉干扰；对敏感信号可采用屏蔽走线设计。

• 元器件布局：高精度放大器和ADC附近应尽量远离大功率元件，同时预留调试接口与测试点。

六、综合设计说明

本方案通过采用MCP73831作为充电管理IC、AMS1117-3.3作为稳压器，以及AD8221和OPA2333组合构成高精度信号前端；核心MCU选用STM32F103C8T6，结合HM-10蓝牙模块实现无线数据传输，同时配备SSD1306 OLED显示屏，构成一套集数据采集、信号调理、数字处理、显示和通信于一体的智能胎心仪系统。各模块器件均选用市场上成熟、稳定的元器件，具有低功耗、低噪声和高集成度的优势，能够满足便携医疗设备对信号处理精度和系统可靠性的苛刻要求。

设计中对每个模块的功能都做了充分考虑，例如：

• 电源模块的设计不仅要满足电压稳定，还必须兼顾抗干扰与低噪声要求；

• 信号采集部分则重点在于前级放大和滤波处理，确保后续数字信号处理的准确性；

• MCU的多任务处理能力保证了实时数据采集与显示，以及无线数据传输的及时性；

• 无线通信模块和显示模块的集成，则提升了用户体验，使医生和使用者能够直观地获取胎心信息并进行远程监控。

七、结论

综上所述，本设计方案从电源管理、信号采集与调理、模拟前端、MCU控制、无线通信以及显示存储各个环节进行了详细论述，并针对每个模块推荐了具体元器件型号和选型理由，确保了系统在低功耗、高精度、实时性和稳定性方面均达到预期要求。通过合理的PCB布局设计以及各模块间的协同工作，最终形成了一套完整的智能胎心仪PCBA方案。

在实际项目开发过程中，设计人员应根据原型测试数据不断优化各模块参数，并对软件算法进行反复验证，以确保设备在临床应用中的准确性和稳定性。该方案不仅具有较高的理论参考价值，也为后续产品迭代升级提供了明确的技术路线。