劉西恒， 吳 薇， 浦志敏， 馮玉婷

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

胎動(dòng)信號(hào)是胎兒的一項(xiàng)重要生命體征，胎動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)對(duì)圍產(chǎn)期的母嬰監(jiān)護(hù)有重要意義。一般孕婦通過(guò)自數(shù)胎動(dòng)次數(shù)確定胎兒是否正常，在醫(yī)院中醫(yī)生普遍使用超聲波成像監(jiān)測(cè)胎動(dòng)，2種方法都可以有效降低因臍帶繞頸等因素導(dǎo)致的胎兒死亡率。但是自數(shù)方式存在不準(zhǔn)確性，超聲波成像需要醫(yī)生輔助，顯然設(shè)計(jì)一種可穿戴的不需要醫(yī)生協(xié)助胎動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備是有必要的[1]。在對(duì)胎動(dòng)信號(hào)的采集方面，加速度傳感器適合采集人體活動(dòng)加速度信號(hào)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于跌倒檢測(cè)和手勢(shì)識(shí)別等體感監(jiān)測(cè)領(lǐng)域[2,3]。系統(tǒng)在醫(yī)生的協(xié)助下進(jìn)行了實(shí)際的胎動(dòng)信號(hào)采集，得到的數(shù)據(jù)表明:系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定采集胎動(dòng)信號(hào)并準(zhǔn)確地傳輸至外部接收設(shè)備，具有一定的工程應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值，為深入研究胎動(dòng)信號(hào)打下了基礎(chǔ)。

1 硬件設(shè)計(jì)

圖1為總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以Freescale公司的 Kinetis L16單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器，采用4只MMA8451Q型三軸加速度傳感器作為信號(hào)源，傳感器內(nèi)部將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為14位浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)輸出，通過(guò)兩路硬件內(nèi)部集成電路(interintegrated circuit，I2C)總線接口I2C0和I2C1傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制器中，單片機(jī)對(duì)胎動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包通過(guò)通用異步收發(fā)傳送器(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)發(fā)送至低功耗藍(lán)牙，藍(lán)牙將胎動(dòng)數(shù)據(jù)上傳至移動(dòng)設(shè)備中。

圖1 總體設(shè)計(jì)框架

1.1 電源模塊

采用USB接口和鋰電池供電2種方式，鋰電池可以通過(guò)USB接口充電。鋰離子電池需要非常精確的充電電流和放電電壓，以此來(lái)優(yōu)化電池的電池使用時(shí)間和性能。電源管理芯片采用BQ24040，其外圍電路如圖2所示。

圖2 BQ24040外圍電路

BQ24040具有輸入過(guò)壓保護(hù)和較高的輸入電壓供電范圍(7 V的輸入過(guò)壓保護(hù)，30 V輸入額定電壓)，可以使用大部分移動(dòng)設(shè)備的充電器充電。

圖2電路的左端為micro USB 接口，右端接鋰電池及后續(xù)的穩(wěn)壓電路。鋰電池提供3.7 V電壓，為了得到3.3 V的穩(wěn)定電壓，采用低壓差 (low dropout，LDO) 線性穩(wěn)壓器。相比傳統(tǒng)的3腳穩(wěn)壓芯片，其具有較高的調(diào)整率，更小輸出紋波，極小的靜態(tài)電流，超快的響應(yīng)/負(fù)載瞬態(tài)[4]。本系統(tǒng)采用LDO芯片XC6221，外圍元件少，占用空間小，適合低功耗設(shè)計(jì)。

1.2 傳感器

在胎動(dòng)信號(hào)的采集上，與文獻(xiàn)[5,6]不同,本文采用三軸加速度傳感器。以4只傳感器組成網(wǎng)絡(luò)均勻覆蓋在孕婦的腹部，可以相對(duì)完整地采集胎動(dòng)信號(hào)。本系統(tǒng)傳感器為MMA8451Q，屬智能、低功耗、電容式、微機(jī)械的14位分辨率的三軸加速度計(jì)。本設(shè)計(jì)使用4只傳感器掛載在兩路I2C上，每路I2C上有2只傳感器，傳感器的地址由圖3中R2和R6決定。若R2焊接電阻器，R6斷開(kāi)，傳感器地址引腳SA0接上拉電阻器，此時(shí)傳感器的在I2C總線中的地址為1D；若R2斷開(kāi)，R6焊接電阻器，傳感器地址引腳SA0接下拉電阻器，此時(shí)傳感器在I2C總線中的地址為1C。

圖3 傳感器電路

1.3 通信模塊

系統(tǒng)的無(wú)線傳輸模塊采用CC2541低功耗藍(lán)牙芯片[7]作為控制器，結(jié)合巴倫匹配電路和外部晶振共同組成。藍(lán)牙模塊電路中使用HHM1520巴倫轉(zhuǎn)換芯片與圖4中C10,C11,L1組成巴倫匹配電路。巴倫匹配電路將單級(jí)天線接收到信號(hào)變?yōu)殡p路差分信號(hào)，以便維持天線的輻射效率，連接濾波電路和單端天線，形成射頻收發(fā)機(jī)。巴倫匹配電路和天線的設(shè)計(jì)是保證射頻電路指標(biāo)良好的關(guān)鍵，對(duì)通信距離和系統(tǒng)功耗都有較大影響?？紤]到降低成本，本藍(lán)牙模塊采用倒F型2.4 GHz的PCB天線，如圖4中ANT1。

圖4 藍(lán)牙模塊電路

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分，單片機(jī)和藍(lán)牙。單片機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境為CodeWarrior，藍(lán)牙軟件的的開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR。單片機(jī)和藍(lán)牙軟件流程如圖5所示。單片機(jī)上電后，首先對(duì)硬件初始化，然后等待藍(lán)牙的采樣請(qǐng)求。收到采樣請(qǐng)求后，單片機(jī)發(fā)送采樣命令到傳感器，接收加速度數(shù)據(jù)并打包，并通過(guò)串口傳送給藍(lán)牙。藍(lán)牙與外部設(shè)備建立連接后，向單片機(jī)發(fā)送采樣請(qǐng)求，每次收到單片機(jī)發(fā)來(lái)的完整數(shù)據(jù)包并完成解析之后通過(guò)天線發(fā)送到外部設(shè)備上。

圖5 軟件流程

2.1 串口通信校驗(yàn)協(xié)議

在實(shí)際使用中，設(shè)備采集到的傳感器陣列數(shù)據(jù)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)不正常、不完整的現(xiàn)象。為了解決單片機(jī)與藍(lán)牙之間串口通信存在的錯(cuò)誤率需要設(shè)計(jì)一種通信協(xié)議。在這種通信協(xié)議下，單片機(jī)每次完成1次采樣，都會(huì)對(duì)4只傳感器的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，分別添加2B的開(kāi)始位和結(jié)束位，計(jì)算并填充發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和校驗(yàn)和。藍(lán)牙部分接收到數(shù)據(jù)包后，會(huì)首先檢查開(kāi)始位和結(jié)束位以確定數(shù)據(jù)包是否完整，獲得有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，并自行計(jì)算數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和，同接收到的校驗(yàn)和進(jìn)行比對(duì)，如果一致，則數(shù)據(jù)接收正確。串口通信協(xié)議的格式如圖6所示。圖6(a)表示一個(gè)完整數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)，有固定的起始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志，為避免與胎動(dòng)數(shù)據(jù)沖突，設(shè)定為連續(xù)2B數(shù)據(jù)。其他字節(jié)包括有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和校驗(yàn)和，用于解析數(shù)據(jù)包來(lái)確定數(shù)據(jù)的正確傳輸。從圖6(b)可以看到有效數(shù)據(jù)包括4只傳感器采集到的數(shù)據(jù)，每只傳感器有3個(gè)軸向的數(shù)據(jù)x，y，z，每個(gè)軸向包含2B。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

在實(shí)際測(cè)試中，本協(xié)議能夠確定出數(shù)據(jù)包是否完整，選擇不同的波特率和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度對(duì)CC2541接收串口數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。每組實(shí)驗(yàn)中，共發(fā)送1 000個(gè)數(shù)據(jù)包，每100 ms發(fā)送1次，通過(guò)串口調(diào)試助手確定數(shù)據(jù)包是否接收成功。由串口調(diào)試助手的得到的串口通信的錯(cuò)誤率如表1所示。可以看出，波特率的大小對(duì)于錯(cuò)誤率也是有影響的，這是因?yàn)?，傳輸速度越快，?shù)據(jù)包會(huì)在更短的時(shí)間內(nèi)被藍(lán)牙接收，減少藍(lán)牙協(xié)議棧中其他任務(wù)的干擾。

表1 CC2541串口通信在不同波特率和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度下的誤碼率

2.2 基于CC2541的協(xié)議棧改進(jìn)

CC2541模塊的軟件部分建立在藍(lán)牙4.0協(xié)議棧BLE—CC254X—1.3.2基礎(chǔ)上，藍(lán)牙協(xié)議棧是藍(lán)牙協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式，表現(xiàn)為代碼實(shí)現(xiàn)的函數(shù)庫(kù)。函數(shù)庫(kù)提供應(yīng)用程序接口(application programming interface,API)，由OSAL作為操作系統(tǒng)調(diào)度使用。OSAL啟動(dòng)后，首先是對(duì)系統(tǒng)、基本任務(wù)和外圍設(shè)備的初始化；待初始化后，系統(tǒng)不斷輪詢藍(lán)牙事件，檢測(cè)是否有外部藍(lán)牙設(shè)備對(duì)其的連接請(qǐng)求；如果有請(qǐng)求，與外部設(shè)備建立連接并提供服務(wù)，否則將會(huì)繼續(xù)輪詢藍(lán)牙事件。為了接收單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，本文在協(xié)議棧中添加串口事件回調(diào)函數(shù)，當(dāng)有串口事件發(fā)生時(shí)，回調(diào)函數(shù)確定數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，確定數(shù)據(jù)完整無(wú)誤后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)上傳事件。

BLE 協(xié)議棧的通用屬性配置文件(generic attribute profile,GATT)層設(shè)計(jì)用于應(yīng)用程序在兩個(gè)連接設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，其中的特征值(characteristic)用于存儲(chǔ)和處理GATT服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，當(dāng)藍(lán)牙提供數(shù)據(jù)傳輸功能時(shí)，必須建立對(duì)應(yīng)的特征值。為了傳輸單片機(jī)發(fā)送的胎動(dòng)數(shù)據(jù)，添加4個(gè)特征值，分別用于4只傳感器的數(shù)據(jù)，如表2。

表2 用于胎動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶卣髦?/p>

handle是特征值的句柄，通用唯一標(biāo)識(shí)符(universally unique identifier,UUID)是特征值的統(tǒng)一識(shí)別碼。數(shù)據(jù)上傳事件負(fù)責(zé)將胎動(dòng)數(shù)據(jù)更新到GATT層的特征值，完成數(shù)據(jù)到移動(dòng)設(shè)備的上傳。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示，尺寸完全可以縫制在孕婦裝中。實(shí)際測(cè)試中，將設(shè)備縫制在紡織物中，緊貼孕婦的腹部，同時(shí)會(huì)記錄孕婦的心跳和翻身，打嗝等干擾因素。藍(lán)牙將原始數(shù)據(jù)傳遞到移動(dòng)設(shè)備中，移動(dòng)設(shè)備上的APP將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型加速度數(shù)據(jù)。在使用胎動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，會(huì)有醫(yī)生觀察超聲設(shè)備中的胎兒成像，當(dāng)有明顯胎動(dòng)時(shí)按壓胎動(dòng)采集設(shè)備上的按鈕，作為真實(shí)胎動(dòng)信號(hào)的參照。按照超聲設(shè)備記錄真實(shí)胎動(dòng)信號(hào)發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)漢明濾波器和小波去噪的預(yù)處理后，在經(jīng)過(guò)平滑維格納—維爾分布(Wigner-Ville distribution，WVD)時(shí)頻分析后，得到胎動(dòng)信號(hào)的時(shí)頻分布，如圖8(a)所示，圖8(b)為信號(hào)的時(shí)域分布。經(jīng)助產(chǎn)醫(yī)生觀察，該信號(hào)的時(shí)頻分布符合胎動(dòng)信號(hào)的特征，確認(rèn)為有效胎動(dòng)信號(hào)。

圖7 實(shí)物

圖8 胎動(dòng)信號(hào)時(shí)域和時(shí)頻分布

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前胎動(dòng)信號(hào)采集方面的不足，本設(shè)計(jì)提供了一種有效的信號(hào)采集方案。給出了完整的軟硬件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的傳輸方式。在醫(yī)生的協(xié)助下獲得了真實(shí)有效的胎動(dòng)數(shù)據(jù)。另外，進(jìn)一步研究壓縮感知在胎動(dòng)信號(hào)采集上的應(yīng)用對(duì)降低系統(tǒng)功耗、降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間具有重要意義。