低功耗微弱信号无线传输系统

魏建军 苏智祥 付饶 王振源

（1.苏州林华通信科技有限公司研发部 江苏省苏州市 215505 2 西安电子科技大学通信工程学院 陕西省西安市 710071）

1 引言

当前社会医疗支出的费用不断增长，无线医疗和健康监控利用当前已有的医疗资源，结合计算机技术、物联网技术和智能处理等技术，对人体实施连续监护，开展疾病的预先检查，实时汇报个体的生物信息。在远距离范围内实现对病患身体特征进行实时动态监测，极大改善医疗环境，提高了医疗工作者的工作效率，减少了不必要的人力和资源浪费，并且有助于实现医疗资源的高效率利用[1]。

实现无线医疗的前提是接收与传输来自人体的不同微弱生理参数信号，这些信号包括人体体温、心电图、脑电图、肌电图、血糖、血压等[2]。在传输这些微弱信号时，目前不少产品采用基于Zigbee协议的传输，可以充分满足低速率传输的应用，在工作状态下，ZigBee 传输数据时发射机的功率可以低至1 毫瓦，而在不传输数据的情况下可设置为休眠状态，进一步降低功耗。但ZigBee 技术不便于与智能手机连接，而智能手机目前是与个人生活最密切的工具。当前几乎所有智能手机都支持蓝牙通信，所以使用蓝牙模块可以方便的进行微弱信号的无线传输。

2 微弱信号无线传输

2.1 信号放大电路

微弱信号在无线传输过程中既有噪声的影响，也有外界的干扰存在，传输之前系统必须对微弱信号的幅度做放大处理以抑制噪声，提高信号的信噪比。采集到的人体生物信号大都呈现为模拟信号的形式，需采用低噪声放大器在放大信号的同时抑制噪声的影响[3]。模拟放大芯片AD620 通过一个电阻控制放大倍数，最高可达到10000 倍，实现简单且放大倍数容易控制[4]。AD620 的尺寸比较小，噪声低，它的功耗低，适合对噪声和功耗要求较高的系统。适合应用在移动设备中，符合低功耗微弱信号无线传输系统的需求，基于AD620 芯片设计的放大电路如图1 所示。

其中电阻Rg 控制着放大倍数，阻值与放大倍数关系为：

反之可根据放大倍数的要求计算出电阻值，对式（1）进行转换得到Rg 的阻值计算式为：

图1：信号放大电路图

图2：蓝牙传输电路图

图1 中电阻R 与电容CC、CD对输入信号进行滤波，降低混入信号中的噪声和干扰的影响。放大后的微弱信号通过差分放大芯片AD620 的VOUT端输出。

2.2 信号无线传输模块

为了便于与智能手机进行连接，无线传输采用蓝牙方式，其最新版本是5.0。蓝牙一般有主机和从机之分，主机在通信双方中主动发起连接请求，从机被动响应请求[5]。由于微弱信号需要传输到智能手机上，蓝牙的工作模式就受到了手机蓝牙的限制，此时手机为主机，微弱信号发射端为从机并且实现从机到主机实时传输数据[6]。在采用安卓系统的蓝牙API 中，存在着两种链路：异步无连接和同步面向连接。异步无连接为数据单向传输，而同步面向连接为数据双向传输，但其只能用于普通的语音传输[7]。蓝牙在同步面向连接时是全双工工作模式，可以解决上述问题。虽然同步面向连接链路只支持8K 单声道音频数据传输，但对信号的传输来说已经足够[8]。本文微弱信号无线传输系统采用的AC6905A 蓝牙集成芯片，通过Android 底层设置使其工作在同步面向连接模式下，电路原理如图2 所示。

图3：电源供电电路图

图4：充电电路图

图5：硬件电路板

电路中的Signal 信号连接差分放大电路输出端，送入蓝牙芯片的MIC 输入端。电容C8 和电阻R7 对输入信号进行滤波，滤除高频干扰，电容C9 除去信号中的直流分量。LED1 表明电路的工作状态。在传输电路中，指示灯存在慢闪、常亮和快闪共三种状态。慢闪代表蓝牙正在等待连接，常亮表示蓝牙建立连接成功，快闪代表蓝牙已经正常工作在同步面向连接下。晶振模块产生标准的时钟信号。无线通信所使用的天线在PCB 版上用连接线绕制而成。

2.3 辅助电路

低噪声放大器AD620 需要双电源电压，如果采用两块电池供电，由于电池内部本身的差异，输出的电压也会逐渐产生差异。虽然在电路连接上可以确保正负电压符号相反，但不能保证其电压值大小相等[9]。整体电路电源供电方式为单电源，使用LM2662 芯片产生与正电源电压相等的负电压，给放大器电路提供双电源电压，如图3 所示。

其中BT1 是外部电源接口，保险丝F1 和二极管D1 用于保护电路，防止电源反接。电感与电容串联用来降低电源线上的干扰，消除电源电压对放大电路性能的影响。LM2662 的OUT 端输出与芯片输入端电源电压相反的负电源电压，图3 中下面的电容C4 对所产生的负电压实现滤波。

电源回路和信号回路相互独立，如果电源地和信号地直接相连则会产生干扰，导致放大后的信号均值出现偏移，严重的情况下直接使得电路无法正常工作，所以电源电压地和模拟信号地并非直接短路连接。一般使用零欧姆电阻或者专门增加磁珠插入信号的地和电源的地之间以实现隔离，此处使用的是后者，即图3 中的0 欧姆电阻R1。

由于无线传输系统尺寸的限制，电池的尺寸同样受到了限制。此处使用容量为60 毫安时的可充电锂电池。在对锂电池充电时要求充电电流不得高于电池容量数值的一半，即30 毫安。由于没有充电电流3 毫安的充电器，为此使用TP4056 自制可调电流充电器[10-11]，如图4 所示。

第一个状态指示灯显示当前是否在进行充电，第二个指示灯显示是否已充满。充电时电流与控制电阻的关系为：

其误差小于百分之十。

3 信号无线传输电路实物

低功耗微弱信号无线传输电路主要包括低噪声放大电路、无线蓝牙传输电路和充电、供电辅助电路以及天线等，实物如图5 所示。

图5(a)是验证版，用来测试硬件架构中各部分电路的功能是否正常。图5(b)是在验证版的基础上改进的最终版，在实现功能的同时最小化电路。另外，为了适应内部预留空间，缩减尺寸，将原来的矩形板改为圆形板。图5(b)左侧是电路板的正面，主要任务是无线信号的发送。图5(b)右侧是电路板的反面，主要功能是电源管理、信号输入和信号放大。

4 结论

微弱信号的幅度小，并且容易受到电路中的噪声和环境中的干扰影响。针对这些问题，设计了低功耗微弱信号无线传输系统。在获得微弱信号后，首先采用双电源电压的低噪声放大器放大微弱信号，然后使用蓝牙模块将其转换成数字信号并传输到智能手机上。为了使得低噪声放大器和蓝牙模块的正常工作，设计了充电电路和供电电路，可以对锂电池充电并提供所需的电源电压。