CN106725417A - 一种抑制无线模块干扰的无线生物电采集系统 - Google Patents
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Abstract
一种抑制无线模块干扰的无线生物电采集系统，它由电池、信号调理放大、AD转换、处理器、无线传输等模块组成，其特征是：作为电源的电池有两块，其中一块给无线传输模块简称无线模块供电，一块给包括信号调理放大、AD转换和处理器的其他模块供电；两块电池之间无电路连接、无能量传递，无线模块与其他模块间的信号联系通过磁或光耦合；让两块电池和无线模块在物理位置上布置在一起、装在一个盒子中，让包括信号调理放大、AD转换和处理器的其它模块在物理位置上布置在一起、装在另一个盒子中，以便让无线模块与其它模块间保持较大距离，进而减小无线模块的干扰。
Description
技术领域
本申请涉及一种抑制无线模块干扰的无线生物电采集系统。
生物电承载着人体各种生理状态信息，各种生物电设备，如心电图机、脑电图机等，可以帮助人们掌握人体健康状况、诊断疾病，或者研究人体的相关奥秘。各种生物电设备，从技术实现的角度看，首先是一个生物电采集系统。
现今，网络时代的生物电采集系统，基本都具备网络功能，支持数据的传输或者通信。生物电采集系统按其通信介质的不同，又可分为有线生物电采集系统和无线生物电采集系统两类。无线生物电采集系统，将采集的生物电数据以WIFI、蓝牙、Zigbee或3G、4G等无线协议传给上位机或后台进行进一步的处理，其方便性无庸质疑。近年来，随着移动医疗和可穿戴设备的兴起，无线生物电采集系统扮演着越来越重要的角色。
无线生物电采集系统自然包括一个负责数据无线传输的模块，这里简称为无线模块。无线模块在发送数据和接受指令时以电磁波作为媒介，在实现通信的同时会对前端的生物电采集系统其他模块造成干扰，影响采集数据的精度。这种干扰引入的数据噪声，换算到输入端可能达到10微伏以上，对脑电、胎心电等同量级的极其微弱的生理电信号检测而言，是不容忽视的。本申请就是要提出一种抑制无线模块干扰的无线生物电采集系统的解决方案。
背景技术
一个传统的无线生物电采集系统，由以下逻辑模块组成：信号调理放大、AD转换、处理器、无线传输、电池等，如图2所示。无线传输模块对生物电采集系统形成干扰的途径体现在两个方面：一是无线传输模块辐射出的电磁波形成的电磁场对采集系统形成干扰，不妨称为辐射干扰路径；二是无线传输模块较大而非均匀的功率输出造成电源电压不稳，进而影响整个采集系统的精度，不妨称为电源干扰路径。
针对辐射干扰路径，现有的无线生物电采集系统采取的解决方案是：一、信号调理放大电路的前部增加电磁兼容滤波器；二、对电路的布版设计(layout)进行优化；三，设置屏蔽罩。所谓电磁兼容滤波，相当于电路输入端串联一个电感或并联一个电容，以对电磁波的高频干扰造成衰减。所谓优化电路布版设计，主要是减小电路中环路面积，让无线模块尽量远离信号调理放大电路部分，特别是远离其输入端，以减小电磁干扰的耦合量。所谓设置屏蔽罩，主要是对信号调理放大电路部分加盖屏蔽罩，以屏蔽掉部分电磁干扰。
针对电源干扰路径，现有的无线生物电采集系统采取的解决方案是：一、在供电电池与无线模块间增加DC/DC稳压电路；二、在供电电池与其他模块间增加DC/DC稳压电路；三、阻断无线模块供电与其他模块供电的电路连接，使两边磁路耦合；四、阻断无线模块与其他模块信号线的电路连接，改用磁路或光路耦合。
以上无线生物电采集系统的现有的抑制无线模块干扰的方案都是有效的，但是对于要求高精度测量的场合，如胎心电、脑电等极度微弱信号的采集来说，尚不够，不能很好地满足精度要求。主要原因是：一，作为辐射干扰源的无线模块离其他电路模块距离很近，辐射的电磁波传播到其他电路模块处时尚不能得到足够的衰减；二，即使无线模块与其他模块的电路连接完全阻隔，它们之间的能量联系依然存在，也就是电源干扰路径还没有完全阻断。
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发明内容
发明目的。
提出一种能进一步抑制无线模块干扰的无线生物电采集系统方案，以实现高精度的无线生物电采集。
技术方案。
提出一种抑制无线模块干扰的无线生物电采集系统，它由电池、信号调理放大、AD转换、处理器、无线传输等模块组成，其特征是：作为电源的电池有两块，其中一块给无线传输模块简称无线模块供电，一块给包括信号调理放大、AD转换和处理器的其他模块供电；两块电池之间无电路连接、无能量传递，无线模块与其他模块间的信号联系通过磁或光耦合；让两块电池和无线模块在物理位置上布置在一起、装在一个盒子中，让包括信号调理放大、AD转换和处理器的其它模块在物理位置上布置在一起、装在另一个盒子中，以便让无线模块与其它模块间保持较大距离，进而减小无线模块的干扰。完整的技术方案见图1所示，其中A盒包括了信号调理放大、AD转换、处理器等三模块，B盒包括了两块电池和无线模块。当然，还可以像传统的解决方案那样，在信号调理放大等模块上加盖屏蔽罩，效果会更佳，但加屏蔽罩不构成本申请方案独有的技术特征。
以上无线生物电采集系统抑制无线模块干扰方案的原理可说明如下。
在理想传播条件下，射频信号在自由空间传播时，既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射，其损耗与传输距离、工作频率有关，有：
[Lfs](dB)＝32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)
式中Lfs为传输损耗，d为传输距离，f为传输频率。
由上式可见，自由空间中射频信号的传输损耗，当f或d增大一倍时，Lfs将分别增加6dB。这是理想状况下的传输损耗，实际的应用中会高于该值，这是因为无线通信还要受到各种外界因素的影响，如大气、屏蔽阻挡物、多径等造成的损耗。在无线生物电采集系统中，无线模块的工作频率多为不可调节的固定值，因此，就自由空间而言，若想减弱无线模块对采集系统其他模块的干扰，只能增大其与采集系统其他模块的距离。
另一方面，无线模块在数据传输时每100ms左右会有一个较大的吸收电流，因此，其供电电池每100ms会有一个明显的电压跌落；此时，如果无线模块与生物电采集系统其他模块共用一个供电电池，则会造成采集系统其他模块电源不稳，进而影响信号采集质量。要想彻底解决这一问题，只能阻断无线模块与其他模块间的能量联系，采用双电池分别供电。
本申请方案，增大无线模块的距离同时采用双电池供电，可以说，是无线生物电采集系统实现高精度测量的一种客观要求。
有益效果。
图3所示为测得的按图2传统方案实现的无线生物电采集系统的输入短路本底噪声结果，单位为mV，其中图3(a)为系统短路噪声信号时域波形图，图3(b)为相应的频谱图。图4为按本申请方案实现的无线生物电采集系统输入短路本底噪声数据，单位为mV，其中图4(a)为系统短路噪声信号时域波形图，图4(b)为其相应的频谱图。从图3和图4中可以看出，传统的无线生物电采集系统，其输入短路本底噪声PP值约为14uV，且在频域10Hz及其倍频点处有明显的尖峰，为典型的无线模块干扰噪声，而按本方案构建的无线生物电采集系统，其短路噪声约为0.5uV，可以看出几乎没有无线模块干扰噪声，该值一般被认为是系统内部固有噪声。因此，本方案构建的无线生物电采集系统，总的来说，可以更有效的抑制无线模块干扰对整个系统性能的影响。
附图说明
图1，本发明方案无线生物电采集系统框图。
图2，传统无线生物电采集系统框图。
图3，按传统方案实现的一无线生物电采集系统输入短路噪声测试结果。
图4，按本发明方案实现的一无线生物电采集系统输入短路噪声测试结果。
图5，按本发明方案实现的一无线生物电采集系统实物示意图。
图6，按本发明方案实测的心电信号展示图。
实施例
图1所示A盒中的信号调理放大、AD转换和处理器等部分的实施例方案如下：(1)信号调理放大涉及前置放大、高通滤波、抗混滤波等，其中前置放大采用ADI公司的AD8422且放大倍数设为500倍，高通滤波器的截至频率设为0.5Hz，抗混叠滤波采用一个四阶的巴特沃斯滤波器，截至频率设为100Hz，运放选用TI的AD2227；(2)AD转换电路采用TI的ADS1294，1294是一个24位、四通道的高精度AD转换器；(3)处理器选用C8051f320，其通过SPI接口从1294获取数据，并通过串口与B盒中的无线模块传输数据。
图1所示B盒中的无线传输、两电池及隔离器件的实施例方案如下：(1)无线模块采用无线Wi-Fi模块，具体选用USR-WIFI232-B系列Wi-Fi传输模块，支持UART/GPIO/以太网三种通讯接口，其中串口(UART)支持的传输速率为300bps～230400bps，选择串口115200bps的传输速率进行数据传输；(2)隔离器件选择ADuM1402，其支持1Mbps以上的数据通行速率；(3)采用两块一样的聚合物锂电池MP1482供电，将聚合物锂电池输出的4.2V电压稳压到3.3V，
图1所示A盒和B盒间通过1米USB延长线进行连接并通信。
在PCB板上实现了图1所示系统，实物图如图5所示；并进行了实际心电采集测试，如图6所示；同时进行了采集系统的输入短路本底噪声测试，结果如图4所示。
Claims (1)
1.一种抑制无线模块干扰的无线生物电采集系统，它由电池、信号调理放大、AD转换、处理器、无线传输等模块组成，其特征是：作为电源的电池有两块，其中一块给无线传输模块简称无线模块供电，一块给包括信号调理放大、AD转换和处理器的其他模块供电；两块电池之间无电路连接、无能量传递，无线模块与其他模块间的信号联系通过磁或光耦合；让两块电池和无线模块在物理位置上布置在一起、装在一个盒子中，让包括信号调理放大、AD转换和处理器的其它模块在物理位置上布置在一起、装在另一个盒子中，以便让无线模块与其它模块间保持较大距离，进而减小无线模块的干扰。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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