CN110403608A - 一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统及监测方法，包括了包括了由不少于两个传感器(1)组成的传感器阵列(2)、系统级集成电路芯片(9)，系统级集成电路芯片(9)上的自动休眠唤醒模拟开关(6)由自动唤醒逻辑电路(7)和自动休眠逻辑电路(8)分别控制其进入唤醒或休眠状态,模数转换器(5)读取的数据传送给自动休眠逻辑电路(8)，数字输入/输出连接接口(11)依靠自动唤醒逻辑电路(7)的数据指令来控制切换各传感器(1)。本发明不光通过在传感器处插入控制电路的方式减小走线的复杂性，更采用自动休眠唤醒模拟开关控制模数转换器的运行，降低系统整体功耗，提供更为有效、可靠的传感器阵列数据的采集。

Description

一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统及监测 方法

技术领域

本发明涉及通过传感器阵列进行分布式胎儿胎动数据监测系统,尤其是一种通过系统级集成电路芯片的模拟开关模块对模数转换器进行控制的低功耗数据监测系统，属于信息科学技术和医疗健康领域。

背景技术

随着物联网技术的发展，分布式传感器和系统级集成电路芯片技术得到了广泛的应用。可穿戴医疗设备作为物联网领域的一个重要分支，近几年发展迅速，延伸出了国民健康和医疗领域的很多应用，如脑电检测、心电监测、胎儿检测等。就胎儿监测而言，目前仍有两个亟待解决的问题：(1)传感器需分布在孕妇整个腹部的位置，需要对多个传感单元阵列进行连线，从而使整个系统的走线非常杂乱无序，大大影响着系统的可靠性和健壮性；(2)数据监测量大，特别是对于需要24小时连续监测而发生频率很低的如胎动等信号的采集。胎动一小时仅有4次左右，24小时也只有几十次的量级，持续检测胎动信号会导致整个系统产生大量不必要的功耗和数据采集、处理和存储负荷，产生较多无需处理的数据，严重地缩短可穿戴设备的使用寿命的同时，也加大了数据后期处理的复杂性和困难性。目前急需一种自动唤醒和自动休眠的技术，对数据进行初步筛选，在保证准确率的同时大大降低功耗。

发明内容

本发明的目的是：

针对上述现有技术的技术短板，本发明提供一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统及监测方法。不光通过在传感器处插入控制电路的方式减小走线的复杂性，更采用自动休眠唤醒模拟开关控制模数转换器的运行，降低系统整体功耗，并最终提供更为有效、可靠的传感器阵列数据的采集。

本发明的目的可通过以下的技术方案来实现：

一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统，包括了由不少于两个传感器组成的传感器阵列、系统级集成电路芯片，所述系统级集成电路芯片带有模数转换器、自动休眠唤醒模拟开关、自动唤醒逻辑电路、自动休眠逻辑电路，自动休眠唤醒模拟开关由自动唤醒逻辑电路和自动休眠逻辑电路分别控制其进入唤醒状态或休眠状态；所述传感器阵列上的每个传感器一侧的管脚各自与一个带有控制器的单刀单掷开关的一端相连，每个传感器另一侧的管脚互相连接并最终连接到系统级集成电路芯片的电线接地端，各单刀单掷开关的另一端管脚互相连接，并最终并联到自动休眠唤醒模拟开关的一侧端口和自动唤醒逻辑电路上；自动休眠唤醒模拟开关的另一侧端口连接模数转换器，模数转换器读取的数据传送给自动休眠逻辑电路；各单刀单掷开关对应的各控制器互相连接并最终连接到系统级集成电路芯片的数字输入/输出连接接口上，数字输入/输出连接接口依靠自动唤醒逻辑电路的数据指令来控制各控制器从而切换各传感器。

所述传感器为用于测量胎儿胎动的压电式压力传感器、压阻式压力传感器、加速度计式压力传感器、电容式压力传感器、气压式压力传感器、电化学传感器、温度传感器或光学传感器。

所述传感器阵列为行、列、矩阵或多链排布。

所述所述控制器为数字逻辑电路。

所述系统级集成电路芯片上预设有控制程序，自动唤醒数字逻辑电路和自动休眠逻辑电路中均包含阈值判断模块。

所述系统级集成电路芯片具有数据存储、处理和传输功能。

所述系统级集成电路芯片与用户终端连接、并将数据传输到用户终端上，连接方式为有线或无线连接。

所述用户终端为带有有线数据传输、无线或蓝牙连接功能的台式电脑、笔记本电脑、平板电脑和/或智能手机。

基于所述的一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统的监测方法：

步骤1：

初始状态为休眠状态，该状态下，各传感器连接的各单刀单掷开关默认都处于闭合状态，通过传感器采集胎动数据，可通过控制器切换单独读取传感器阵列里某个传感器的具体数据，获取具体的胎动位置幅值信息；也可通过数字接口配置控制器读取所有传感器阵列的数据累加值；

初始状态/休眠状态下，自动休眠唤醒模拟开关默认处于断开状态，在自动唤醒数字逻辑电路和自动休眠逻辑电路中包含的阈值判断模块内预设认为是有效胎动信号的电压信号阈值A；

步骤2：

初始状态/休眠状态下，当所有传感器的电压信号即传感器阵列的电压累加信号高于阈值A时，自动唤醒数字逻辑电路闭合自动休眠唤醒模拟开关，系统状态切换到激活状态；

步骤3：

激活状态下，数字输入/输出连接接口输出指令通过控制器控制所有单刀单掷开关，使模数转换器依次读取并采集单个传感器的数据，模数转换器的读取的数据同时传输到自动休眠数字逻辑电路，胎动的有效数据由自动休眠数字逻辑电路传送给系统级集成电路芯片；

步骤4：

激活状态下，当所有传感器的电压信号即传感器阵列的电压累加信号低于阈值A时，自动休眠数字逻辑电路控制使自动休眠唤醒模拟开关断开，模数转换器停止工作，系统切换到休眠状态。

步骤3中所述模数转换器依次读取并采集单个传感器的数据，是依照单个传感器物理空间离系统级集成电路芯片的远近的顺序,这里所述的依次，重点在于有序采集，可以根据实际需求进行安排，不局限于由近及远或由远及近。

本发明的有益效果是：

本发明简化了整个系统的走线，且不光通过在传感器处插入控制电路的方式减小走线的复杂性，更采用自动休眠、唤醒模拟开关控制模数转换器的运行，降低系统整体功耗，并最终提供更为有效、可靠的传感器阵列数据的采集。

本发明采用具有自动休眠唤醒功能的模拟开关对模数转换器进行控制，降低了系统的整体功耗和数据后期处理的复杂性，提高了系统的稳定性和完整性。

本发明着重于监测有效数据，省去了系统不必要的功耗和数据采集、处理和存储负荷，提高了数据处理的效率和精度。传统数据采集时，模数转换器一直处于开启的状态，造成了很大的功耗浪费和损失。本发明通过采用系统级集成电路芯片上集成的自动休眠唤醒模拟开关模块，通过设计相应的阈值，仅在胎动发生时开启模数转换器，降低系统整体功耗的同时，又减少了数据处理量，提高数据处理的效率和精度。在模数转换器采集数据低于预设阈值时，自动断开自动休眠唤醒开关，进入休眠状态，大大降低功耗，等待下一次自动唤醒的到来。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明系统的初始情况示意图，也是本发明系统的自动休眠状态的示意图；

图3为本发明系统的自动唤醒状态的示意图。

图中标号和字符为：

1、传感器(S)；2、传感器阵列；3、单刀单掷开关(sw)；4、数字逻辑电路(logic)；5、模数转换器(ADC)；6、自动休眠唤醒模拟开关；7、自动唤醒逻辑电路(Wake Up Logic)；8、自动休眠逻辑电路(Sleep Logic)；9、系统级集成电路芯片(SoC)；10、电线接地端(GND)；11、数字输入/输出连接接口(Digital IO)。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统，包括了由不少于两个传感器1组成的传感器阵列2、系统级集成电路芯片9，所述系统级集成电路芯片9带有模数转换器5、自动休眠唤醒模拟开关6、自动唤醒逻辑电路7、自动休眠逻辑电路8，自动休眠唤醒模拟开关6由自动唤醒逻辑电路7和自动休眠逻辑电路8分别控制其进入唤醒状态或休眠状态；所述传感器阵列2上的每个传感器1一侧的管脚各自与一个带有控制器4的单刀单掷开关3的一端相连，所述控制器4为数字逻辑电路。每个传感器1另一侧的管脚互相连接并最终连接到系统级集成电路芯片9的电线接地端10，各单刀单掷开关3的另一端管脚互相连接，并最终并联到自动休眠唤醒模拟开关6的一侧端口和自动唤醒逻辑电路7上；自动休眠唤醒模拟开关6的另一侧端口连接模数转换器5，模数转换器5读取的数据传送给自动休眠逻辑电路8；各单刀单掷开关3对应的各控制器4互相连接并最终连接到系统级集成电路芯片9的数字输入/输出连接接口11上，数字输入/输出连接接口11依靠自动唤醒逻辑电路7的数据指令来控制各控制器4从而切换各传感器1。

所述传感器1为用于测量胎儿胎动的压力或其他传感器，所述压力或其他传感器种类为压电式压力传感器、压阻式压力传感器、加速度计式压力传感器、电容式压力传感器、气压式压力传感器、电化学传感器、温度传感器或光学传感器等。所述压力或其他传感器阵列为行、列、矩阵或多链排布。

所述系统级集成电路芯片9上预设有控制程序，包括了数据存储、处理和传输的判断和执行程序，自动唤醒数字逻辑电路7和自动休眠逻辑电路8中均包含阈值判断模块。

所述系统级集成电路芯片9具有数据存储、处理和传输功能。系统级集成电路芯片9与用户终端连接、并将数据传输到用户终端上，连接方式为有线或无线连接。用户终端为带有有线数据传输、无线或蓝牙连接功能的台式电脑、笔记本电脑、平板电脑和/或智能手机。

本发明基于链式拓扑结构传感器阵列布局，传感器阵列2是由不少于两个独立的压力或其他传感器1组成，可通过控制器4切换单独读取某个传感器1的具体数据，获取具体的胎动位置幅值信息。同时采用自动休眠唤醒模拟开关6，仅在胎动产生时开启模数转换器，降低系统的功耗和数据处理的复杂性，获取更准确的胎动数据。

当所有传感器1的电压信号即传感器阵列2的电压累加信号高于阈值A时，自动唤醒数字逻辑电路7闭合自动休眠唤醒模拟开关6，并且通过数字接口11依次打开各个传感器对应的开关，通过模数转换器5采集各个传感器的数据。模数转换器的数据同时传输到自动休眠数字逻辑电路8，当所有传感器1的电压信号即传感器阵列2的电压累加信号低于阈值A时，断开模拟开关6，系统进入休眠状态。

数据采集过程中，读取第n个(n指随机的某个传感器编号)传感器的数据，可以导通开关n，得到读数a，这样传感器n的读数就是a。这样的链式拓扑结构的阵列连接方法，可以通过逐个导通开关n，开关n-1，……，开关1的方法，扫描阵列中所有传感器的读数，步骤简单，数据准确。这样在不影响性能的情况下，实现系统走线最简化，提高系统的稳定性。

自动唤醒数字逻辑电路7和自动休眠逻辑电路8中均包含阈值判断模块。当所有传感器1的电压信号即传感器阵列2的电压累加信号高于阈值A时，代表为有效胎动信号，此时自动休眠唤醒模拟开关6闭合，开启模数转换器5。反之，当所有传感器1的电压信号即传感器阵列2的电压累加信号小于阈值A时，代表为无效信号(噪声信号，呼吸干扰信号等)，此时自动休眠唤醒模拟开关6打开，模数转换过程停止。这样在获取有效胎动信号的同时，实现了系统的功耗最小化，提高了采集数据的精度，降低了数据处理的复杂性。

实施例1

如图2和图3所示，所述传感器阵列2由4个传感器1组成，传感器1均采用压电传感器。系统级集成电路芯片9通过数字输入/输出连接接口11对传感器1的控制电路进行配置，实现单个传感器快速有序地进行数据采集、存储和传输。自动唤醒和休眠模块7和8实现模数转换器的开关，实现系统的极低功耗。

如图2所示，为系统初始情况示意图。系统初始状态下，所有传感器1连接的单刀单掷开关3都处于闭合状态，系统级芯系统级集成电路芯片中的自动休眠唤醒模拟开关处于打开的状态。自动唤醒数字逻辑电路收集传感器的数据，等待特定信号，唤醒系统。

如图3所示，为本发明中的自动唤醒(即激活)状态的工作示意图。在系统被唤醒后，自动唤醒数字逻辑电路闭合模数转换器的模拟开关。系统级系统级集成电路芯片通过数字输入/输出接口，依次导通各个传感器的控制开关，扫描读取各个传感器的信号。在此过程中，模数转换器的数据也自动传输到自动休眠数字逻辑电路中。扫描的过程循环往复，直到自动休眠被触发或者系统电源被关闭。

如图2所示，图2也是本发明系统自动休眠后的工作示意图。这个状态和初始状态是一致的，自动休眠后，自动唤醒模块等待唤醒信号。

虽然在这里通过某个或某些特殊配置描述和阐明本发明，然而其目的并不在于限制所述细节，因为可能在专利要求范围内有各种修改和结构变更，并不偏离发明精神。

Claims (10)

1.一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统，包括了由不少于两个传感器(1)组成的传感器阵列(2)、系统级集成电路芯片(9)，其特征在于，所述系统级集成电路芯片(9)带有模数转换器(5)、自动休眠唤醒模拟开关(6)、自动唤醒逻辑电路(7)、自动休眠逻辑电路(8)，自动休眠唤醒模拟开关(6)由自动唤醒逻辑电路(7)和自动休眠逻辑电路(8)分别控制其进入唤醒状态或休眠状态；所述传感器阵列(2)上的每个传感器(1)一侧的管脚各自与一个带有控制器(4)的单刀单掷开关(3)的一端相连，每个传感器(1)另一侧的管脚互相连接并最终连接到系统级集成电路芯片(9)的电线接地端(10)，各单刀单掷开关(3)的另一端管脚互相连接，并最终并联到自动休眠唤醒模拟开关(6)的一侧端口和自动唤醒逻辑电路(7)上；自动休眠唤醒模拟开关(6)的另一侧端口连接模数转换器(5)，模数转换器(5)读取的数据传送给自动休眠逻辑电路(8)；各单刀单掷开关(3)对应的各控制器(4)互相连接并最终连接到系统级集成电路芯片(9)的数字输入/输出连接接口(11)上，数字输入/输出连接接口(11)依靠自动唤醒逻辑电路(7)的数据指令来控制各控制器(4)从而切换各传感器(1)。

2.如权利要求1所述的一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统，其特征在于所述传感器(1)为用于测量胎儿胎动的压电式压力传感器、压阻式压力传感器、加速度计式压力传感器、电容式压力传感器、气压式压力传感器、电化学传感器、温度传感器或光学传感器。

3.如权利要求1所述的一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统，其特征在于所述传感器阵列(2)为行、列、矩阵或多链排布。

4.如权利要求1所述的一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统,其特征在于所述所述控制器(4)为数字逻辑电路。

5.如权利要求1所述的一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统,其特征在于所述系统级集成电路芯片(9)上预设有控制程序，自动唤醒数字逻辑电路(7)和自动休眠逻辑电路(8)中均包含阈值判断模块。

6.如权利要求1所述的一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统,其特征在于所述系统级集成电路芯片(9)具有数据存储、处理和传输功能。

7.如权利要求1或6所述的一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统,其特征在于所述系统级集成电路芯片(9)与用户终端连接、并将数据传输到用户终端上，连接方式为有线或无线连接。

8.如权利要求7所述的一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统,其特征在于所述用户终端为带有有线数据传输、无线或蓝牙连接功能的台式电脑、笔记本电脑、平板电脑和/或智能手机。

9.基于权利要求1-8所述的一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统的监测方法：

步骤1：

初始状态为休眠状态，该状态下，各传感器(1)连接的各单刀单掷开关(3)默认都处于闭合状态，通过传感器(1)采集胎动数据，可通过控制器(4)切换单独读取传感器阵列(2)里某个传感器(1)的具体数据，获取具体的胎动位置幅值信息；也可通过数字接口(11)配置控制器(4)读取所有传感器阵列的数据累加值；

初始状态/休眠状态下，自动休眠唤醒模拟开关(6)默认处于断开状态，在自动唤醒数字逻辑电路(7)和自动休眠逻辑电路(8)中包含的阈值判断模块内预设认为是有效胎动信号的电压信号阈值A；

步骤2：

初始状态/休眠状态下，当所有传感器(1)的电压信号即传感器阵列(2)的电压累加信号高于阈值A时，自动唤醒数字逻辑电路(7)闭合自动休眠唤醒模拟开关(6)，系统状态切换到激活状态；

步骤3：

激活状态下，数字输入/输出连接接口(11)输出指令通过控制器(4)控制所有单刀单掷开关(3)，使模数转换器(5)依次读取并采集单个传感器(1)的数据，模数转换器(5)的读取的数据同时传输到自动休眠数字逻辑电路(8)，胎动的有效数据由自动休眠数字逻辑电路(8)传送给系统级集成电路芯片(9)；

步骤4：

激活状态下，当所有传感器(1)的电压信号即传感器阵列(2)的电压累加信号低于阈值A时，自动休眠数字逻辑电路(8)控制使自动休眠唤醒模拟开关(6)断开，模数转换器(5)停止工作，系统切换到休眠状态。

10.如权利要求9所述的一种超低功耗自动休眠和唤醒的胎儿胎动监测系统的监测方法，其特征在于步骤3中所述模数转换器(5)依次读取并采集单个传感器(1)的数据，是依照单个传感器(1)物理空间离系统级集成电路芯片的远近的顺序。