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1、基于蓝牙技术的微型无创血压检测电路简介：本文简单介绍蓝牙模块芯片ROK101007和蓝牙硬件设计中应注意的问题，重点介绍应用蓝牙技术设计的微型无创血压信号检测系统中的信号放大电路和蓝牙硬件系统的设计过程。1引言随着传感技术、微电子技术、无线通讯技术的不断发展，生物医学信号检测系统正朝着新一代的检测技术方向发展。从早期的肉眼观察到示波器、记录仪等仪器客观显示, 尤其是当今计算机的应用使生物医学信号检测与处理效果有了质的飞跃。但现行的生物信号检测系统必须通过线缆的传输,使得仪表的安装和使用对环境都有比较苛刻的要求，大大妨碍了资源使用的灵活性和使用效率。而蓝牙技术的应用可以将测试信号从线缆传输的约束
2、中解放出来,变有线线缆传输为无线信号传输。目前蓝牙技术的研究主要分为蓝牙芯片开发、中间协议软件开发和蓝牙应用产品开发3大类。而蓝牙应用产品开发则是利用前2类提供的软硬件为基础去集成和开发产品和系统。国内对蓝牙的应用研究仍处于起步阶段,主要局限于通讯、电子产品以及信息家电的研究,在信号检测领域的研究较少。本文以蓝牙模块芯片ROK101007作为通讯模块进行信号检测,研究蓝牙技术在信号检测领域的应用,设计一个基于蓝牙技术的微型无创血压信号检测系统。2系统设计方案血压信号的测量方法有很多，本文研究的血压测量的工作流程是：通过压力传感器检测血压信号；并将拾取的信号送到生理信号调理模块，进行信号的放大、
3、滤波处理；再经A/D转换器把模拟信号转换成数字信号；最后送到蓝牙芯片模块。流程图如图1所示。2.1信号拾取电路血压信号首先经过压力传感器拾取，并进行适当的放大和调理，然后才能送如A/D转换模块的模拟输入口。本文选择Mororola公司的压力传感器MPX5050GP，其内部含有信号运放和信号调节功能，可以直接将动脉血液对血管壁的压力转换为0-4.7V的电信号，其对应的血压值为0-375mmHg。2.2信号放大电路生物信号是属于强噪声背景下的超低频（0.5-100Hz）、微弱（0.1-1mV）信号的检测，因此，所选用的前置放大器需选用高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、高增益、动态范围大和性
4、能稳定的低频放大器。数据放大器,称仪表放大器。对它的要求是，输入电阻要高，以减少对传感器所取的电流，放大倍数要精确，误差小于0.1%，具有差动输入端，以适应差动输出形式的传感器，并且有较高的共模抑制比，通频带要宽，下限频率要低到零，以适应直流电压的变化，输出应是单端式并且具有很底的输出电阻和很低的零点漂移等等。图2 放大器原理图放大器的原理图如图2所示。运放 A1、A2为组成第一级差分电路，A3组成第二级差分式电路。在第一级电路中，V1、V2分别加到A1、A2的同相端，R1、R2、R3组成的反馈网络，引入了深度的电压串联负反馈，两运放A1、A2的两输入端形成虚短和虚断，该放大器第一级是具有深度
5、电压串联负反馈的电路，所以它的输入电阻很高。若A1、A2选用相同特性的运放，则它们的共模输出电压和漂移电压也都相等，再通过A3组成的差分式电路，可以互相抵消，故它有很强的共模抑制能力和较小的输出漂移电压，同时该电路有较高的差模电压增益。因为后一级是差分式电路，输出阻抗很低。2.3信号滤波电路传感器和放大电路会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合渠道使信号通道上感染上噪声。为提高模拟输入信号的信噪比，可以用信号滤波器来衰减噪声。本文所用的滤波器是二阶有源滤波器这种形式，其结构如图2所示的虚框，为设计方便选取R8=R9，C1=C2。其中C1=0.02F，并取m=0.5,则 C2=mC1=0.0
6、1F。2.3.1运算放大器的选择本文选择的是LM324低电压运算放大器，其内部由4个独立的、高增益的、内部频率补偿的运算放大器组成。特别适合较大电压范围的单电源供电情况。LM324可以直接运用于单电源供电系统，如数字系统中的标准的5V电源。其提供了所需的电气接口，而不需要另外的+/-15V电源。2.3.2电容器的选择有源RC滤波电路对所用电容器应考虑的主要参数有电容量、允许误差、工作温度系数以及频率特性等。当所需容量较小时，常选用云母电容、CC1和CC2型瓷介电容器，以及玻璃釉电容器等。当所需容量较大时，一般选用聚苯乙烯电容器、聚碳酸脂膜电容器等。对工作频率较高的滤波器注意慎用金属化类的薄膜电
7、容器，因为在高频时金属粒子会渗透到绝缘薄膜中去，从而造成电容器损耗上升，绝缘电阻下降，结果造成电路性能恶化。本电路所选择的电容为聚苯乙烯薄膜电容，其绝缘电阻R50000M，损耗角正切值在10-4量级范围，电容器的吸收系数Ka最小为0.05左右，电感量为410-3610-3H，C1=0.022F,C2=0.01F。2.3.3电阻器的选择在有源RC滤波电路中，主要考虑电阻器的阻值、精度、温度系数及工作频率等参数。对于要求不高的滤波器，可选用价格低廉的电阻器，如碳膜电阻器。对于高Q及要求参数随温度变化小的滤波器应选用金属膜、线绕及金属玻璃釉电阻器等。对于工作频率较高的滤波器应选用无感绕法和无感刻槽的
8、电阻器，因为这种电阻器的自身分布电感较小。所以滤波器所用的电阻均为碳膜电阻。本电路仿真测试的波形图如图3所示。图3 仿真测试波形图2.4 A/D转换电路MAX195是16位逐次逼近方式的ADC。它将高精度、高速度、低电源功耗的关闭方式等性能结合在一起。内部校准电路对线性度与偏置误差进行校正，所以无需外部调整便可达到全部的性能指标。电容式的DAC结构使之具有特有的85Kbps跟踪/保持功能，变换时间仅需9.4s。三态串行数据输出及引脚可选的单极性（0VREF）或双极性(-VREF+VREF)的输入范围使之可广泛应用于便携式仪表、医用信号采集及多传感测量等系统中。MAX195在上电时自动进行校准，
9、为了减少影响，每一个校准试验进行多次并对其结果求平均值。在时钟频率1.7MHz下，校准大约需14000个时钟周期。除了上电校准之外，把拉至低电平将使MAX195暂停工作，使再次回到高电平便启动一次新的校准。2.5 蓝牙系统硬件设计本系统的硬件主要由PC机、ROK101007蓝牙模块、PC机与蓝牙模块的接口电路、微处理器（AT89C51），以及微处理器与蓝牙模块的接口电路等组成。PC机与蓝牙模块之间采用USB借口来完成数据传输，微处理器与蓝牙模块之间采用RS232接口来完成数据传输。 蓝牙模块ROK101007 支持保持(Hold)、侦听(Sniff)、休眠(Park)三种节能模式。其中保持模式
10、适于连接几个微微网以及温度传感器、压力传感器等低功耗设备。为了降低功耗，增强保密性，通常情况下血压检测设备没有数据传输，处于保持模式下，一旦遇到血压信号，处于保持模式的单元被激活了，被PC机部分的蓝牙系统硬件检测发现，并唤醒进入工作状态，与PC机部分的蓝牙系统硬件进行连接。在工作的时候，下位机系统单片机与蓝牙模块之间通过串口写入HCI( 主机控制器接口) 指令即可进行通信。鉴于单片机工作电压为+5 V, 蓝牙模块的工作电压为+3.3 V, 采用电平转换器件74LVTH245 进行电源转换。单片机和蓝牙模块的接口电路如图4所示。采用蓝牙模块的UART作为接口进行数据通信, 此时蓝牙模块作为数字电
11、路终端设备， 其串行传输速率可达460 kbit/s。图4 ROK101007蓝牙模块与单片机接口电路图蓝牙模块和主机接口都可采用USB接口，也可采用标准串行RS-232方式连接。本文采用后一种接口方式，由于RS-232电平与TTL和CMOS电平相反，逻辑0 电平规定为+5 V+15 V,逻辑1 电平为- 5 V- 15 V, 因此, 为了与蓝牙模块电平匹配, 在蓝牙模块和PC 机接口之间采用MAX3232 进行电平转换。上位机接口电路如图5所示。 图5 上位机接口电路图2.6、蓝牙硬件设计中的其他问题由于蓝牙设备工作在2.4G的微波频段，这个频段内有很多设备工作，因此必须解决好相互干扰的问题
12、才能确保蓝牙的可靠工作。蓝牙自身的跳频抗干扰技术有效的解决了这个问题。另外，从硬件设计上需要考虑一下其他问题，主要是电源干扰和信号线滤波及电路板布局。2.6.1、电源干扰在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一个状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压，配置去藕电容可以抑制因负载变化产生的噪声，这也是印刷电路板的可靠性设计的一种常见方法。2.6.2、信号线滤波这是一种外部I/O保护措施。外部I/O电缆完全暴露在电磁环境中，极容易受到干扰。如果不加保护措施就会将干扰传递给内部电路，引起设备的不正常工作。在本应用电路的设计上，串口
13、上可使用NPM39R三端电感型滤波器，它的作用是滤除信号线上各种工作所不需要的高频干扰成分。2.6.3、节能设计蓝牙的主要用途是为便携设备添加无线联网的功能，因此要求必须是低功耗的。蓝牙协议中规定了蓝牙的多种操作模式，如活动模式、呼吸模式和休眠模式。这些模式为节能提供了前提，蓝牙设备可以仅在必要时运行，这样可以节省很多能量。3、总结蓝牙Bluetooth作为一种新的短距离无线通信技术标准，它可以让许多智能设备无线互连，可以传输文件和数据，支持语音通信，因此受到越来越多的研究机构的广泛关注。再加上Internet和移动通信的迅速发展，使人们对便携设备的需求日益增长。这给微型化、低功耗和低成本的Blue tooth在人们日常生活中的应用开拓了近乎无限的空间，同时也给蓝牙技术在医学仪器中的应用提供了机遇。为了克服传统测量仪器的体积大、附件多、有线检测传输方式、组网不方便、检测参数单一、扩展交互能力差的不足，有一部分检测仪器已经嵌入了蓝牙技术，例如，心电监护仪、血压HOLTER、血糖HOLTER等等医学仪器。尽管蓝牙技术在医疗设备中的研究尚处于起步阶段 ，但在国内甚至在全球都已显示出广阔的前景。
