MOS管在穿戴式心電信號監測設備中的解決方案

VBsemi

便攜式無線心電檢測設備

      據世衛組織統計，心血管疾病是造成全球人口死亡最多的疾病。社會新聞上披露的心源性猝死、心梗等健康問題的發生人群年齡呈明顯下降趨勢。從幾個月來互聯網高管、拼多多年輕員工猝死等令人遺憾的意外事件中反思，社會生活及企業的加速發展所帶來的巨大工作壓力也是心源性健康問題逐漸年輕化的外因之一。被時代的洪流推著向前走的當代打工人們似乎更愿意在養生或健康設備上投入金錢，他們企圖用這種手段消解內心的健康焦慮。

      各大消費電子巨頭早已敏銳地捕捉到這一消費趨勢，推出的帶有心率監測功能的電子設備在作為社會消費主力的年輕人之間備受歡迎。但是消費級的電子設備存在著穿戴方式引起誤差、基線漂移、運動偽跡噪音及QRS識別不準確等問題。

      2020年，Chen Ya Jun針對以上問題設計原理一種帶有三軸加速度傳感器、以低功耗元器件及改進的自適應濾波算法為基礎的穿戴式便攜式心電監測設備，利用MOSFET開關電路切換系統的充電與供電狀態。樣機大小僅39mm X 20mm，續航時間長，和市面上同類產品相比具有低功耗、充電快等優勢。

主要模塊硬件設計

【心電預警檢測系統的硬件框架圖】

      系統主要分為七大模塊：差分導聯電極模塊、信號采集模塊、三軸加速度模塊、主控芯片處理模塊、無線藍牙傳輸模塊、光源預警控制模塊以及電源管理模塊。

• 信號采集模塊：ADS1292R數模轉換器芯片
• 主控芯片：STM32L452CEU6
• 三軸加速度模塊：ADXL345BCCZ加速度傳感器芯片
• 無線傳輸模塊：B-0004低功耗藍牙4.0模塊
• MOS管：NMOS管 Vds=20V，Id=0.6A；PMOS管 Vds=-20V，Id=-5A
• 穩壓芯片：TLV70033DCK
• 充電模塊：BQ21040電源管理芯片
  

【ADS1292R外圍電路原理圖】

      信號采集模塊采用ADS1292R將采集到的模擬信號轉換為數字信號，利用其兩路差分導聯采集通道采集心電信號。芯片IN2P、IN2N和IN1P、IN1N輸入端分別經過直流耦合的低通濾波器和交流耦合的高通濾波器，這樣可以使采集到的模擬信號在進入芯片之前就減少外界噪聲干擾。

【主控單片機的基本電路】

      采用的主控單片機STM32L452在正常工作的時候需要晶體振蕩電路為微控制器提供時鐘。在外部接入的8MHz的晶振為整個系統提供時鐘的來源，而負載電容C2、C3可以降低微小的振蕩，從而穩定振蕩電路輸出。

【三軸加速度外圍電路】

      三軸加速度模塊采用的傳感器是ADXL345。整個模塊用于采集人體三軸加速度信號，可以用來感知人相對運動的劇烈程度，以此作為濾波算法的參考信號，并優化算法的濾波效果，即可輸出“干凈”的心電信號。

【光源預警控制電路】

      光源預警可控制電路分別采用三色RGB發光二極管和微型震動電機來實現發光和震動。由于主控芯片IO驅動電流能力有限，模塊選用NMOS管為LED和震動馬達進行適當擴流。

      這里可以選用VBsemi微碧的雙溝道N+N MOS管VBTA3230NS，Vds=20V，Id=0.6A，250μA是柵源閥值電壓為1V。

【VBsemi微碧半導體MOS管型號參數】

【電源管理模塊的電路原理圖】

       電源充電模塊采用電池電源管理芯片BQ21040，穩壓電路采用的是TLV70033DCK穩壓器。而控制BQ21040和TLV70033DCK的工作電路采用MOS管開關電路。

       此系統選擇PMOS管SI2301DS-T1-GE3作為開關電路中的開關器件，Vds=-20V，Id=5A，導通電阻小，Rdson=43mΩ。

可選擇的VBsemi微碧場效應管型號

①SI2301DS-T1-GE3

②VB2290

③VB2290A

④VB2140

【適用的VBsemi微碧mos管型號參數】

      配合上軟件算法設計，系統經樣機測試可長時間穩定工作，系統功耗低，且R波定位準確率在運動狀態下大于96%，心率誤差小于4%。

微碧半導體MOS管封裝及應用

      微碧半導體企業主要產品的封裝有：SOP-8 、TO-220（F）、TO-263、TO-247、TO-252、TO-251、SOT-23、SOT-223、SOT-89、QFN、AO3400、IRF540、IRF630等系列封裝產線。

【微碧部分MOS管產品封裝】

      廣泛應用于3C數碼、安防設備、測量儀器、廣電教育、家用電器、軍工/航天、可穿戴設備、汽車電子、網絡通信、物聯網IoT、新能源、醫療電子、照明電子、智能家居、電腦主板顯卡、MID\UMPC 、GPS、藍牙耳機、PDVD、車載DVD、汽車音箱、液晶顯示器、移動電源、手機電池（鋰電池保護板）、LED電源等產品。微碧半導體有限公司以飽滿的激情，拼搏務實的干勁，不斷創新進取，致力于為客戶群體打造出一座高效、便捷、直通、優質的服務橋梁。

參考文獻

[1]陳亞軍. 心電信號濾波算法與預警系統的研究與設計[D].重慶郵電大學,2020.

[2]蔣玉波,趙小妹.醫療健康領域可穿戴設備應用研究[J].錦州醫科大學學報(社會科學版),2019,17(03):54-57.

[3]夏濤. 穿戴式心電檢測與診斷系統研究與設計[D].深圳大學,2016.

[4]李娜. 基于人體運動狀態識別的可穿戴健康監測系統研究[D].北京工業大學,2013.