電子工程師必備：經(jīng)典可穿戴醫(yī)療電路錦集

在智能硬件浪潮的推動(dòng)下，可穿戴醫(yī)療設(shè)備成為各半導(dǎo)體廠商爭(zhēng)相追逐的藍(lán)海，并且隨著國(guó)內(nèi)醫(yī)患關(guān)系的緊張，醫(yī)務(wù)資源的短缺，發(fā)展可穿戴醫(yī)療設(shè)備的重要性越發(fā)凸顯出來(lái)。一款優(yōu)秀的可穿戴醫(yī)療電子產(chǎn)品必須在功耗、尺寸、性能等因素上有獨(dú)到的平衡方法，那具體到其內(nèi)部細(xì)節(jié)又如何去設(shè)計(jì)呢?小編特意整理了六篇可穿戴醫(yī)療電子電路圖，為工程師們提供有價(jià)值的參考方案。

可穿戴型下肢助力機(jī)器人感知系統(tǒng)傳感電路設(shè)計(jì)

電路說(shuō)明：電路由檢測(cè)電路、信號(hào)放大電路和穩(wěn)壓電源電路組成。其中檢測(cè)電路由電阻RH、晶體管VT以及電阻R1、R2組成;信號(hào)放大電路由A1、RP1、RP2、 R3、R4、R6、R5、R8、VD3組成;穩(wěn)壓電源電路由VD1、VD2、R7、R9、R10、R11組成，為檢測(cè)電路提供2.5V的穩(wěn)壓電源。而電阻 RH可以采用硅電阻，因?yàn)楣柙?5攝氏度時(shí)響應(yīng)時(shí)間小于5S。 其中電路中采用了兩個(gè)TL431，TL431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從2.5V到 36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開(kāi)關(guān)電源等等。

電路原理：當(dāng)傳感器穿戴身上時(shí)，由于溫度不同，使得傳感器的RH阻值也不同，這個(gè)電阻成為VT的基極偏流電阻。偏流電阻的不同，使基級(jí)的電流也不同，從而改變了VT 的集電極電流，也就改變了VT發(fā)射極電流，發(fā)射極的電流流經(jīng) R2，在R2上將發(fā)射極電流轉(zhuǎn)換成電壓，并將該電壓送到A1的同相輸入端，經(jīng)A1放大后輸出，并由VD3控制輸出電壓，使得輸出電壓在5V以內(nèi)。

可穿戴式心率信號(hào)采集預(yù)處理電路設(shè)計(jì)

心率信號(hào)采集預(yù)處理電路：脈搏信號(hào)采集預(yù)處理電路主要是將脈搏波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并進(jìn)行初步高頻濾波預(yù)處理。其關(guān)鍵部分就是光電式脈搏傳感器。光電式脈搏傳感器按光的接收方式可分為透射式和反射式兩種。反射式不僅可以精確測(cè)得血管內(nèi)容積變化，而且在實(shí)際應(yīng)用中反射式 只需將傳感器接觸身體任何部位，當(dāng)照射部位的血流量隨心臟跳動(dòng)而改變時(shí)，紅外線接收探頭便接收到隨心臟周期性地收縮和舒張的動(dòng)脈搏動(dòng)光脈沖信號(hào)，從而采集到心臟搏動(dòng)信號(hào)。

分析：本設(shè)計(jì)采用了反射式紅外傳感器。光電式脈搏傳感器采用紅外對(duì)管KP-2012F3C和KP- 2012P3C，反射式排列。KP-2012F3C 具有良好的表皮照明度，電流一般設(shè)在20mA，亮度由軟件通過(guò)PWM電流來(lái)進(jìn)行控制，這樣能夠使紅外LED工作在飽和區(qū)域，發(fā)出穩(wěn)定光強(qiáng)的光。

脈搏信號(hào)采集預(yù)處理電路

KP-2012P3C晶體管采用交流耦合結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)對(duì)微弱信號(hào)放大。經(jīng)晶體管檢測(cè)出來(lái)的信號(hào)采樣時(shí)分兩路。一路是直流信號(hào)線路。它是晶體管輸出經(jīng)射隨輸入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道口0，可用來(lái)檢測(cè)晶體管是否處于有效工作狀態(tài);另一路是交流信號(hào)線路。它是先經(jīng)一射極跟隨器輸入到兩級(jí)濾波成形電路然后再輸入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道1.該濾波電路為兩級(jí)帶通濾波電路，由于脈搏波的頻譜蘊(yùn)含豐富病理信息，特別是在5~40Hz這個(gè)區(qū)間的頻譜攜帶了大量與冠心病病 變有關(guān)的信息，故考慮到今后功能的擴(kuò)展，預(yù)處理電路的上下限頻率設(shè)計(jì)為48Hz和0.86Hz。

穿戴式血糖測(cè)試模塊電路分析

血糖測(cè)試電路分析：為了檢測(cè)葡萄糖氧化酶和葡萄糖反應(yīng)所生成的自由電子數(shù)，需要在電極兩端施加一固定偏壓，而后檢測(cè)該偏壓驅(qū)動(dòng)自由電子產(chǎn)生的電流來(lái)計(jì)算血糖質(zhì)量濃度值。根據(jù)測(cè)試片上所涂化學(xué)材質(zhì)的不同，所需要的偏置電壓也不相同，本設(shè)計(jì)中該偏置電壓是由液晶驅(qū)動(dòng)模 塊的VLL1引腳輸出的1V穩(wěn)壓通過(guò)電阻分壓而得，偏置電壓在273mV左右。

正常人的血液與葡萄糖氧化酶反應(yīng)后生成的電流大小為nA至μA級(jí)別，為了能 將該電流量轉(zhuǎn)換成電壓量并且準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)，需要信號(hào)變換及電壓放大電路。 圖2所示是由比較器實(shí)現(xiàn)的放大電路，使用的是LL16芯片自身所帶的比較器模塊。比較器的正端接273mV的偏置電壓，該偏置電壓由LL16的LCD模塊 提供的VLL1通過(guò)R6、R5和R4三個(gè)電阻分壓而得，濾波電容C4是為了濾除VLL1自身帶有的高頻噪聲，以保證偏置電壓的穩(wěn)定。比較器的負(fù)端連接試紙 的酶電極，即四號(hào)引腳，電極上的自由電子在偏置電壓的驅(qū)動(dòng)下定向流動(dòng)，等效于一個(gè)電阻Rx，Rx阻值越小，血糖質(zhì)量濃度越高，計(jì)算出該等效電阻阻值同樣可 以計(jì)算出血糖質(zhì)量濃度值。

數(shù)據(jù)深入分析：待測(cè)電阻Rx的阻值范圍為18k Ω至300kΩ，3V電池供電最低電壓為2.3V左右，為了保證比較器的最大輸出不能超出最低供電電壓，要求放大電路的放大倍數(shù)不能過(guò)大，所以取R3為 120k Ω，這樣當(dāng)待測(cè)電阻為18kΩ時(shí)，放大電路的輸出電壓為2.1V，小于電池供電最低電壓。由于設(shè)計(jì)中放大電路的核心器件是比較器，此電路中比較器輸出為方 波信號(hào)，比較器輸出端的電阻R和電容C1就是一階低通濾波電路，可以將高頻方波中的諧波信號(hào)濾除，得到一個(gè)比較穩(wěn)定的直流信號(hào);同樣為了避免比較器的輸出 不超過(guò)正端極限，R1取值不能過(guò)大，同時(shí)為了達(dá)到比較好的濾波效果，其取值也不能過(guò)小，所以取比較適中的15k Ω。

為了盡可能的濾除高頻信號(hào)，C1的容值不能過(guò)小，但是如果C1取值過(guò)大，那么比較器負(fù)端就會(huì)有幅度比較大的紋波。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，C1取1 μF可以獲得比較好的整體效果。盡管R1和C1組成的濾波電路已經(jīng)對(duì)比較器的輸出信號(hào)進(jìn)行了一定程度的濾波，C1正端的信號(hào)仍有高頻紋波，為了保證血糖質(zhì)量濃度測(cè)量值的準(zhǔn)確度和一致性，R2和C2再一次對(duì)放大電路的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，由于是濾除高頻諧波，考慮到電容的最佳濾波頻率范圍，C2取10 μF，而R2取值10kΩ。

可穿戴醫(yī)療設(shè)備語(yǔ)音報(bào)警電路設(shè)計(jì)圖

語(yǔ)音報(bào)警電路：電路如圖所示，主要由集成語(yǔ)音芯片ISD2560組成。ISD2560是Winbond公司生產(chǎn)的一款具有較強(qiáng)功能的語(yǔ)音錄放芯片，是一種永久記憶型語(yǔ)音 錄放電路，錄音時(shí)間為60s，可重復(fù)錄放10萬(wàn)次。該芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)專(zhuān)利技術(shù)，能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音。通過(guò)事先錄制好的聲音，實(shí)現(xiàn)血壓測(cè)量值的自動(dòng)聲音提示，如果血壓高出正常血壓的上下限值，還會(huì)發(fā)揮報(bào)警，提醒使用者就醫(yī)。具體做法：經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(大概為正常人的一個(gè)月)的精確測(cè) 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(bào)警范圍，時(shí)時(shí)監(jiān)控佩戴者的血壓值，如果血壓超出正常范圍，則開(kāi)始計(jì)時(shí)，將日期時(shí)間等數(shù)據(jù)都要記錄下來(lái)，如果超出正常范圍的時(shí)間超出五分鐘，則開(kāi)始報(bào)警提醒，提示內(nèi)容為：尊敬的用戶您好，此時(shí)您的血壓偏高低，建議您立即進(jìn)行電壓測(cè)量，并服用相應(yīng) 的藥物!

可穿戴式人體呼吸狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)前置放大電路圖

人體呼吸信號(hào)具有生物電信號(hào)阻抗高、信號(hào)微弱、頻率低等特點(diǎn)，所以呼吸信號(hào)模擬測(cè)量電路中前置放大是整個(gè)信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系到 整個(gè)模擬采集部分的工作性能。前置放大器的選擇要考慮高輸入阻抗、低噪聲和低溫漂等要素。AD620是一種低功耗的儀用放大器，特別適合做小信號(hào)的前置放 大級(jí)，經(jīng)AD620放大后的小信號(hào)失真度很小，加一級(jí)AD620組成的前置放大，同樣可以把系統(tǒng)誤差控制在系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，前置放大電路如圖。

由于正弦信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)峰峰值在1V左右，和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載串聯(lián)的取樣電阻上的電壓降很小，要對(duì)取樣后的信號(hào)進(jìn)行放大。運(yùn)用兩級(jí)放大，前置放大級(jí)使用 AD620。AD620是一種低功耗的儀用放大器，特別適合做小信號(hào)的前置放大級(jí)，經(jīng)AD620放大后的小信號(hào)失真度很小，加一級(jí)AD620組成的前置放 大，同樣可以把系統(tǒng)誤差控制在系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。