剖析可穿戴精密設(shè)計電路圖集錦

可穿戴在電子行業(yè)掀起爆炸性狂潮已是不爭的事實，而可穿戴醫(yī)療將是最先突圍的應(yīng)用之一。

更多你感興趣的醫(yī)療設(shè)計方案及熱點技術(shù)、高層觀點，以及新奇好玩的技術(shù)、工程師經(jīng)驗談，盡在9月《智能醫(yī)療特刊》!

鑒于此，電子發(fā)燒友網(wǎng)專門整合了用于可穿戴醫(yī)療的設(shè)計電路圖，從MCU、傳感器、無線模塊、電源、語音報警系統(tǒng)幾個方面，剖析可穿戴哪些精密設(shè)計!

精密設(shè)計之MCU

基于EFM32TG840的便攜式心率計的設(shè)計

在消費電子領(lǐng)域，便攜式電子產(chǎn)品由于體積小、質(zhì)量輕的特點越來越受到消費者的喜愛，已成為人們生活中不可缺少的部分?；谶@個思路，我們設(shè)計了一款便攜式心率計，它可以替代用脈搏聽診器等進(jìn)行測量的傳統(tǒng)方法，使用非常方便。該產(chǎn)品主要包括三個部分：信號的采集、數(shù)據(jù)處理以及LCD顯示和報警電路。

電壓跟隨器的輸入信號，即脈搏傳感器信號從V+端輸入，反饋電阻置零，構(gòu)成一個同相跟隨器，起到緩沖作用，隔離前后級的影響。心音脈搏放大器的功能是將mV級的心音信號放大到V級，以供顯示和記錄使用。

由于在實際應(yīng)用中，外界信號的干擾，以及考慮到放大器的穩(wěn)定性，一級放大器不能實現(xiàn)如此大的增益，所以電壓放大器一般由兩級組成。其中，前級采用負(fù)反饋 差動放大電路，以提高共模信號抑制比。此部分的關(guān)鍵是如何抑制各種噪聲，避免讓噪聲竄入后級電路。因此在系統(tǒng)中，采用基于雙運(yùn)放電路的微功耗儀表放大器 LM358作為心音脈搏信號的前級放大器。為防止產(chǎn)生非線性失真以致?lián)p害電路的共模抑制比，該部分的放大倍數(shù)不宜過高，選擇為1000倍左右。

下面的部分主要包括單片機(jī)控制顯示電路以及驅(qū)動蜂鳴器的報警，具體電路如圖4所示。

Elecfans技術(shù)編輯點評：本設(shè)計通過數(shù)模混合電路結(jié)合單片機(jī)控制的設(shè)計實現(xiàn)了對心率信號的實時測定，并能發(fā)出警告。整個電路盡量考慮到各方面的因素，做到線路簡單，減小電磁場干擾，充分利用軟件編程，彌補(bǔ)元器件的精度不足，另外由于引入了世界上超低功耗的ARM—EFM32，使得待機(jī)時間超長，功能升級空間也很大，還可以以該設(shè)計為基礎(chǔ)加載其他功能，使其功能和結(jié)構(gòu)更加完善，擴(kuò)展至對人體其他生理狀態(tài)的測定。

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關(guān)注可穿戴醫(yī)療設(shè)計秘密，值得你花時間閱讀的設(shè)計攻略!

精密設(shè)計之傳感器

穿戴式多參數(shù)監(jiān)測智能系統(tǒng)電路設(shè)計

傳感器負(fù)責(zé)測量心率、體溫等生命體征參數(shù)的采集。考慮到本系統(tǒng)可穿戴式的特點，在傳感器的選型方面，盡量選用集成化，靈敏度和精度高的產(chǎn)品，這樣既能減少系統(tǒng)電路的面積，便于穿戴，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

血壓采集模塊采用Freescal公司生產(chǎn)的 MPXV5050GP壓電傳感器，將其置于衣袖中部肘關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)，這樣可以直接將動脈血液對血管壁的壓力轉(zhuǎn)換為輸出電信號，具體電路如圖2所示。該傳感器采用離子注入工藝，內(nèi)部集成了放大器，濾波器等信號處理單元電路，外部只需要很少的元件即可工作。在輸出端輸出經(jīng)過放大和整形的電信號，這樣就直接將傳感器的輸出端接入ADμC7024內(nèi)部集成的12位ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。再經(jīng)過軟件處理得到血壓值。

體溫采集模塊采用Maxim公司的模擬溫度傳感器MAX6612檢測體表溫度。MAX6612采用5 PIN的SC70封裝，最大工作電流僅為35μA，具有功耗低、精度高、體積小的特點，并對ADC做了電路上的優(yōu)化，適合本系統(tǒng)的應(yīng)用。具體的體溫采集電路如圖4所示。

本系統(tǒng)采用藍(lán)牙模塊實現(xiàn)與內(nèi)嵌藍(lán)牙功能的外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。為減小系統(tǒng)體積、減輕系統(tǒng)質(zhì)量和降低功耗，本藍(lán)牙模塊采用Class-2設(shè)計方案，USB輸出，傳輸距離為10 m，支持藍(lán)牙2.0版本協(xié)議能夠滿足系統(tǒng)的需求。藍(lán)牙芯片采用CSR公司的BC417413，芯片內(nèi)部集成了8 MB閃存，主要存放的是基帶、鏈路管理層和主機(jī)控制接口的軟件，還包括一些API，用于對芯片進(jìn)行配置。前端射頻帶通濾波器選用MDR771F-CSR- T，巴倫采用TDK公司的HHM-1517完成系統(tǒng)的差分射頻信號和天線輸入輸出信號之間的轉(zhuǎn)換。具體設(shè)計方案原理圖如圖5所示。

Elecfans技術(shù)編輯點評：系統(tǒng)將傳感器、織物電纜和柔性電路板有機(jī)結(jié)合到服裝中，實現(xiàn)了在日常生活以及作業(yè)環(huán)境下對多生理參數(shù)的動態(tài)、協(xié)同監(jiān)測，具有生理信號檢測、信號特征提取功能，并利用藍(lán)牙技術(shù)完成數(shù)據(jù)的備份，以便于進(jìn)一步分析，也可以利用具有藍(lán)牙功能的通信設(shè)備，實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)等功能。

可穿戴腕式電子血壓計傳感電路設(shè)計圖

電路原理：本電路采用BP01型壓力傳感器和運(yùn)放MAX4472。BP01型壓力傳感器是為檢測血壓而專門設(shè)計的，主要用于便攜式電子血壓計。它采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龍塑料封裝，具有高線性、低噪聲和外界應(yīng)力小的特點;采用內(nèi)部標(biāo)定和溫度補(bǔ)償方式，提高了測量精度、穩(wěn)定性和重復(fù)性，在全量程范圍內(nèi)，精度為±1%、零點失調(diào)不大于±300μV。MAX4472是MAXIM公司的一款集成了四個運(yùn)算放大器的低功耗放大芯片。本系統(tǒng)中內(nèi)部集成運(yùn)放 A接恒流源，為壓力傳感器提供恒定的電流，運(yùn)放B和運(yùn)放C，運(yùn)放D組成差分輸入、單端輸出放大電路，直接輸入ADC0監(jiān)視血壓直流分量。

Elecfans技術(shù)編輯點評：電子血壓計手掌大小，外形與手腕間隙更小的碗帶，抗菌材料制作，數(shù)字顯示血壓及脈搏數(shù)?？纱┐魍笫窖獕河嬘捎谒鶞y的壓力值為腕動脈“脈搏壓力值”，對于大多數(shù)中、老年人，特別是血液粘稠度高者、微循環(huán)不佳者、血管硬化癥患者等較特殊的人群，用可穿戴腕式血壓計與用上臂式血壓計多次測量的平均值之間，會有較大的差別——相差±1·3kPa(10mmHg)以上是很常見的。

精密設(shè)計之電源

555 定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。用雙極性工藝制作的稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為7555，除單定時器外，還有對應(yīng)的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V~16V 工作，7555 可在3~18V 工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。 555 定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。

Elecfans技術(shù)編輯點評：電路能自動檢測有無接收部分工作，只有檢測到確有接收器在工作，它才會連續(xù)輻射無線電能，否則就始終只工作在低能耗的檢測狀態(tài)。發(fā)射部分采用CMOS電路與場效應(yīng)管的組合，這種組合不僅效率高，而且控制也簡單易行。發(fā)射線圈采用李茲線和蛛網(wǎng)式繞法，以取得較高的變換效率。

精密設(shè)計之語音報警系統(tǒng)

語音報警電路：主要由集成語音芯片ISD2560組成。一款具有較強(qiáng)功能的語音錄放芯片，是一種永久記憶型語音錄放電路，錄音時間為60s，可重復(fù)錄放10萬次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術(shù)，能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音。通過事先錄制好的聲音，實現(xiàn)血壓測量值的自動聲音提示，如果血壓高出正常血壓的上下限值，還會發(fā)揮報警，提醒使用者就醫(yī)。具體做法：經(jīng)過一段時間(大概為正常人的一個月)的精確測量，在電腦上處理數(shù)據(jù)，得到血壓的正常范圍，將其上下限設(shè)置為報警范圍，時時監(jiān)控佩戴者的血壓值，如果血壓超出正常范圍，則開始計時，將日期時間等數(shù)據(jù)都要記錄下來，如果超出正常范圍的時間超出五分鐘，則開始報警提醒，提示內(nèi)容為：尊敬的用戶您好，此時您的血壓偏高低，建議您立即進(jìn)行電壓測量，并服用相應(yīng)的藥物!