關鍵字：ZigBee 無線傳輸 電子聽診器
本文對傳統聽診器進行改造，引入基于ZigBee協議的無線電子通信技術，設計出一款可以對人體心音數據進行實時采集、處理和無線收發的電子聽診器，從而以較低的功耗擴大了聽診范圍，降低了醫生在聽診時被病人傳染的機率。
1 ZigBee協議的優勢
ZigBee是一種近距離、低復雜度、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，工作在2.4 GHz ISM免費頻段，主要適合自動控制、傳感、監控和遠程控制等領域，同時也支持地理定位功能。ZigBee聯盟在制定ZigBee標準時，采用了IEEE 802.15.4作為其物理層和媒體接入層規范。在其基礎之上，ZigBee聯盟制定了數據鏈路層(DLL)、網絡層(NWK)和應用編程接口(API)規范。同藍牙技術相比較，ZigBee技術在功耗、傳輸距離和設備成本等方面均存在著明顯的優勢。ZigBee與藍牙傳輸協議各參數比較如表1所列。
2 系統整體設計思路
無線電子聽診器的結構框圖如圖1所示。采用麥克風來獲取人體心音信號，并轉換成模擬的電信號。經過放大和濾波處理后，信號送入到主控模塊進行A/D轉換，將模擬信號轉換成數字信號。主控模塊通過無線收發模塊將轉換完成的數字信號并發送出去。電源模塊則負責為
各個模塊供電。接收端采用深圳無線龍通信科技有限公司設計的C51RF～CC2530-PK無線ZigBee網絡開發平臺。它通過USB同上位機相連，向上位機傳遞其接收到的數據，用于顯示和分析處理。系統分為軟件和硬件兩部分：硬件部分包括信號調理、數據采集處理、無線傳輸、無線收發和電源模塊;軟件部分包括Firmware中的軟件和上位機軟件。
3 系統各硬件模塊的實現
3.1 心音采集模塊
心音是在心動周期內，由于心機收縮和舒張、瓣膜啟閉、血流沖擊心室壁和大動脈等因素引起的機械振動。通常有效的人體心音信號頻率為0～600 Hz，由于心音信號比較微弱，周圍環境干擾以及其他各種人為因素常常會帶來大量的干擾雜音，直接用麥克風采集心音效果并不好。為了更好地隔離雜音干擾，增強采集端心音強度，加入了心音聽診頭，如圖2所示。
采用MEMS麥克風對心音信號進行采集，同傳統的駐極性體麥克風相比，MEMS麥克風體積小、集成度高，且靈敏度為-42 dB，同駐極體麥克風大致相當。
3.2 增益和濾波模塊
實驗發現麥克風采集到的心音信號幅值通常為30～60 mv，范圍小不便于觀察，需要對采集到的心音數據進行電壓提升和放大處理。另外，心音信號的有效頻率為0～600 Hz，為了消除高頻信號的干擾，引入了截止頻率為600 Hz的有源低通濾波器。由于信號放大和濾波單元均用到了運算放大器，為了減小電路占用面積，設計中分別采用一級運算放大器和一級有源濾波器。信號調理模塊電路圖如圖3所示。集成運放采用ADI公司生產的AD8607，它包含有2個獨立的低功耗、低噪聲CMOS運算放大器AD8603，供電電壓為1.8～6 V，工作電流不超過50μA，最大輸入偏置電流為1pA。
經過電路調理后，可以在示波器上觀測到可識別性較高的心音波形，如圖4所示。
3.3 無線傳輸模塊
圖5為無線傳輸模塊電路圖。無線傳輸模塊由TI公司生產的新一代2.4 G無線收發芯片CC2530為核心，芯片集成了增強型8051內核，內部采用流水線結構，指令周期短。芯片具有256KB的Flash，低功耗設計使得芯片在收發狀態下的功耗都比較低，能夠保證長時間工作。6mm× 6mm的封裝使芯片及外圍電路占用的空間大大減小，非常適合對結構要求緊湊的設計需求。芯片的工作電壓為2～3.6 V，最大發送電流(發送功率為1 dBm時)為29 mA。CC2530內部包含有12位的8通道分辨率可配置的A/D轉換器，設計中采用該轉換器對調理之后的心音信號進行A/D轉換，轉換速率為1.2ksps，采樣精度達到±4.6LSB。
3.4 電源模塊
為了保證聽診器的正常運行，設計了3種方式來供電。在使用JTAG接口對CC2530進行程序調試時，利用JTAG的3.3 V電源引腳為電路供電。該供電方法的缺點是通過JTAG接口提供的電壓穩定性不高，紋波稍大，對心音信號有一定的干擾，而且電路工作范圍受到引線的限制。另一種方法參考了諾基亞手機充電接口的設計思路，通過USB充電線為電路供電。諾基亞充電線的空載輸出電壓為6 V，需要降壓才能夠為電路供電。考慮到采用這種供電方式電路依然不能擺脫引線的束縛，使用體積小、容量大的充電電池是一種比較理想的選擇。設計中采用可充電紐扣電池LIR2450，該電池的理論參數如表2所列。
3.6 V的標稱電壓仍需要降壓才能夠為電路供電，因此引入了3.3 V輸出的線性穩壓芯片ADP122來解決這一問題。ADP122擁有300 mA的最大輸出電流，電壓輸出偏差為±1%，穩定性高，給電路帶來的干擾小。綜上考慮，決定采用諾基亞USB充電線通過USB電池充電管理芯片MAX8808為鋰電池充電，同時也為電路供電，在鋰電池電量充滿后MAX8808會自動停止充電。拔掉充電線后由鋰電池來供電。圖6為供電模塊電路圖。
4 電子聽診器實物及其運行狀況
通過電路制版、芯片焊接、封裝設計、電路編程調試等流程完成了無線電子聽診器模塊的制作工作，電路板如圖7所示。MEMS麥克風單獨置于電路板的背面，電路板大小為37 mm×22 mm，最厚處為4.5 mm，占用空間小，穩定性高。圖8為實測心音信號在上位機軟件上的顯示效果圖。
結語
本系統采用了集成化、緊湊性設計，功耗低，電路供電方式多樣化，能夠滿足測試和實際應用的要求。整個系統全部采用貼片元件，體積小、成本低，以較高的準確性實現了點對點通信，完成了心音信號的無線傳輸。