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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201611222011.X (22)申请日 2016.12.23 (71)申请人 南京大学 地址 210023 江苏省南京市栖霞区仙林大 道163号南京大学电子学院 (72)发明人 刘红星 郝冠鹏 胡月明 (51)Int.Cl. A61B 5/04(2006.01) G08C 17/02(2006.01) (54)发明名称 一种抑制无线模块干扰的无线生物电采集 系统 (57)摘要 一种抑制无线模块干扰的无线生物电采集 系统， 它由电池、 信号调理放大、 AD转换、 处理器、 无。
2、线传输等模块组成， 其特征是： 作为电源的电 池有两块， 其中一块给无线传输模块简称无线模 块供电， 一块给包括信号调理放大、 AD转换和处 理器的其他模块供电； 两块电池之间无电路连 接、 无能量传递， 无线模块与其他模块间的信号 联系通过磁或光耦合； 让两块电池和无线模块在 物理位置上布置在一起、 装在一个盒子中， 让包 括信号调理放大、 AD转换和处理器的其它模块在 物理位置上布置在一起、 装在另一个盒子中， 以 便让无线模块与其它模块间保持较大距离， 进而 减小无线模块的干扰。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 106725417 A 2017.05.31 CN 106725。
3、417 A 1.一种抑制无线模块干扰的无线生物电采集系统， 它由电池、 信号调理放大、 AD转换、 处理器、 无线传输等模块组成， 其特征是： 作为电源的电池有两块， 其中一块给无线传输模 块简称无线模块供电， 一块给包括信号调理放大、 AD转换和处理器的其他模块供电； 两块电 池之间无电路连接、 无能量传递， 无线模块与其他模块间的信号联系通过磁或光耦合； 让两 块电池和无线模块在物理位置上布置在一起、 装在一个盒子中， 让包括信号调理放大、 AD转 换和处理器的其它模块在物理位置上布置在一起、 装在另一个盒子中， 以便让无线模块与 其它模块间保持较大距离， 进而减小无线模块的干扰。 权 利。
4、 要 求 书 1/1 页 2 CN 106725417 A 2 一种抑制无线模块干扰的无线生物电采集系统 技术领域 0001 本申请涉及一种抑制无线模块干扰的无线生物电采集系统。 0002 生物电承载着人体各种生理状态信息， 各种生物电设备， 如心电图机、 脑电图机 等， 可以帮助人们掌握人体健康状况、 诊断疾病， 或者研究人体的相关奥秘。 各种生物电设 备， 从技术实现的角度看， 首先是一个生物电采集系统。 0003 现今， 网络时代的生物电采集系统， 基本都具备网络功能， 支持数据的传输或者通 信。 生物电采集系统按其通信介质的不同， 又可分为有线生物电采集系统和无线生物电采 集系统两类。。
5、 无线生物电采集系统， 将采集的生物电数据以WIFI、 蓝牙、 Zigbee或3G、 4G等无 线协议传给上位机或后台进行进一步的处理， 其方便性无庸质疑。 近年来， 随着移动医疗和 可穿戴设备的兴起， 无线生物电采集系统扮演着越来越重要的角色。 0004 无线生物电采集系统自然包括一个负责数据无线传输的模块， 这里简称为无线模 块。 无线模块在发送数据和接受指令时以电磁波作为媒介， 在实现通信的同时会对前端的 生物电采集系统其他模块造成干扰， 影响采集数据的精度。 这种干扰引入的数据噪声， 换算 到输入端可能达到10微伏以上， 对脑电、 胎心电等同量级的极其微弱的生理电信号检测而 言， 是不。
6、容忽视的。 本申请就是要提出一种抑制无线模块干扰的无线生物电采集系统的解 决方案。 背景技术 0005 一个传统的无线生物电采集系统， 由以下逻辑模块组成： 信号调理放大、 AD转换、 处理器、 无线传输、 电池等， 如图2所示。 无线传输模块对生物电采集系统形成干扰的途径体 现在两个方面： 一是无线传输模块辐射出的电磁波形成的电磁场对采集系统形成干扰， 不 妨称为辐射干扰路径； 二是无线传输模块较大而非均匀的功率输出造成电源电压不稳， 进 而影响整个采集系统的精度， 不妨称为电源干扰路径。 0006 针对辐射干扰路径， 现有的无线生物电采集系统采取的解决方案是： 一、 信号调理 放大电路的前。
7、部增加电磁兼容滤波器； 二、 对电路的布版设计(layout)进行优化； 三， 设置 屏蔽罩。 所谓电磁兼容滤波， 相当于电路输入端串联一个电感或并联一个电容， 以对电磁波 的高频干扰造成衰减。 所谓优化电路布版设计， 主要是减小电路中环路面积， 让无线模块尽 量远离信号调理放大电路部分， 特别是远离其输入端， 以减小电磁干扰的耦合量。 所谓设置 屏蔽罩， 主要是对信号调理放大电路部分加盖屏蔽罩， 以屏蔽掉部分电磁干扰。 0007 针对电源干扰路径， 现有的无线生物电采集系统采取的解决方案是： 一、 在供电电 池与无线模块间增加DC/DC稳压电路； 二、 在供电电池与其他模块间增加DC/DC稳。
8、压电路； 三、 阻断无线模块供电与其他模块供电的电路连接， 使两边磁路耦合； 四、 阻断无线模块与 其他模块信号线的电路连接， 改用磁路或光路耦合。 0008 以上无线生物电采集系统的现有的抑制无线模块干扰的方案都是有效的， 但是对 于要求高精度测量的场合， 如胎心电、 脑电等极度微弱信号的采集来说， 尚不够， 不能很好 地满足精度要求。 主要原因是： 一， 作为辐射干扰源的无线模块离其他电路模块距离很近， 说 明 书 1/4 页 3 CN 106725417 A 3 辐射的电磁波传播到其他电路模块处时尚不能得到足够的衰减； 二， 即使无线模块与其他 模块的电路连接完全阻隔， 它们之间的能量联。
9、系依然存在， 也就是电源干扰路径还没有完 全阻断。 0009 参考文献： 0010 1李贵山， 杨建平， 黄晓峰.电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)及其抑制措施研究 J.电力系统及其自动化学报， 2002， 14(4)： 36-40. 0011 2于春锐， 张永胜， 董臻， 梁甸农.基于特征分解的SAR射频干扰抑制方法J .信 号处理， 2011， 27(11)： 1696-1700. 0012 3刘淑茜， 李钟敏， 贾鑫.基于小波包分析的SAR射频干扰自适应抑制方法J.现 代雷达， 2004， 19(10)： 378-381. 0013 4Van Rijn A C M， Peper A，。
10、 Grimbergen C A.High-quality recording of bioelectric eventsJ .Medical and Biological Engineering and Computing， 1990， 28(5)： 389-397. 0014 5王三强， 何为， 石坚.新型脑电信号前置级放大电路设计J .重庆大学学报， 2006， 29(6)： 51-53 0015 6胡巍， 赵章琰， 路知远， 陈香： 无线多通道表面肌电信号采集系统设计J.电子 测量与仪器学报， 2009， 23(11)： 30-35 0016 7左鹏飞， 路知远， 张永强， 董中飞， 陈。
11、香.32通道无线表面肌电和加速度信号采 集系统设计J.传感技术学报， 2013， 26(6)： 790-795 0017 8王领.无线心电监护系统的研究与实现D.哈尔滨工业大学， 2012. 0018 9高旋.体表生物电无线采集系统的设计与实现D.天津大学， 2012. 发明内容 0019 发明目的。 0020 提出一种能进一步抑制无线模块干扰的无线生物电采集系统方案， 以实现高精度 的无线生物电采集。 0021 技术方案。 0022 提出一种抑制无线模块干扰的无线生物电采集系统， 它由电池、 信号调理放大、 AD 转换、 处理器、 无线传输等模块组成， 其特征是： 作为电源的电池有两块， 其。
12、中一块给无线传 输模块简称无线模块供电， 一块给包括信号调理放大、 AD转换和处理器的其他模块供电； 两 块电池之间无电路连接、 无能量传递， 无线模块与其他模块间的信号联系通过磁或光耦合； 让两块电池和无线模块在物理位置上布置在一起、 装在一个盒子中， 让包括信号调理放大、 AD转换和处理器的其它模块在物理位置上布置在一起、 装在另一个盒子中， 以便让无线模 块与其它模块间保持较大距离， 进而减小无线模块的干扰。 完整的技术方案见图1所示， 其 中A盒包括了信号调理放大、 AD转换、 处理器等三模块， B盒包括了两块电池和无线模块。 当 然， 还可以像传统的解决方案那样， 在信号调理放大等模。
13、块上加盖屏蔽罩， 效果会更佳， 但 加屏蔽罩不构成本申请方案独有的技术特征。 0023 以上无线生物电采集系统抑制无线模块干扰方案的原理可说明如下。 0024 在理想传播条件下， 射频信号在自由空间传播时， 既不会被障碍物所吸收， 也不会 说 明 书 2/4 页 4 CN 106725417 A 4 产生反射或散射， 其损耗与传输距离、 工作频率有关， 有： 0025 Lfs(dB)32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz) 0026 式中Lfs为传输损耗， d为传输距离， f为传输频率。 0027 由上式可见， 自由空间中射频信号的传输损耗， 当f或d增大一倍时， Lfs将分别增 。
14、加6dB。 这是理想状况下的传输损耗， 实际的应用中会高于该值， 这是因为无线通信还要受 到各种外界因素的影响， 如大气、 屏蔽阻挡物、 多径等造成的损耗。 在无线生物电采集系统 中， 无线模块的工作频率多为不可调节的固定值， 因此， 就自由空间而言， 若想减弱无线模 块对采集系统其他模块的干扰， 只能增大其与采集系统其他模块的距离。 0028 另一方面， 无线模块在数据传输时每100ms左右会有一个较大的吸收电流， 因此， 其供电电池每100ms会有一个明显的电压跌落； 此时， 如果无线模块与生物电采集系统其他 模块共用一个供电电池， 则会造成采集系统其他模块电源不稳， 进而影响信号采集质量。
15、。 要 想彻底解决这一问题， 只能阻断无线模块与其他模块间的能量联系， 采用双电池分别供电。 0029 本申请方案， 增大无线模块的距离同时采用双电池供电， 可以说， 是无线生物电采 集系统实现高精度测量的一种客观要求。 0030 有益效果。 0031 图3所示为测得的按图2传统方案实现的无线生物电采集系统的输入短路本底噪 声结果， 单位为mV， 其中图3(a)为系统短路噪声信号时域波形图， 图3(b)为相应的频谱图。 图4为按本申请方案实现的无线生物电采集系统输入短路本底噪声数据， 单位为mV， 其中图 4(a)为系统短路噪声信号时域波形图， 图4(b)为其相应的频谱图。 从图3和图4中可以。
16、看出， 传统的无线生物电采集系统， 其输入短路本底噪声PP值约为14uV， 且在频域10Hz及其倍频 点处有明显的尖峰， 为典型的无线模块干扰噪声， 而按本方案构建的无线生物电采集系统， 其短路噪声约为0.5uV， 可以看出几乎没有无线模块干扰噪声， 该值一般被认为是系统内部 固有噪声。 因此， 本方案构建的无线生物电采集系统， 总的来说， 可以更有效的抑制无线模 块干扰对整个系统性能的影响。 附图说明 0032 图1， 本发明方案无线生物电采集系统框图。 0033 图2， 传统无线生物电采集系统框图。 0034 图3， 按传统方案实现的一无线生物电采集系统输入短路噪声测试结果。 0035 图。
17、4， 按本发明方案实现的一无线生物电采集系统输入短路噪声测试结果。 0036 图5， 按本发明方案实现的一无线生物电采集系统实物示意图。 0037 图6， 按本发明方案实测的心电信号展示图。 实施例 0038 图1所示A盒中的信号调理放大、 AD转换和处理器等部分的实施例方案如下： (1)信 号调理放大涉及前置放大、 高通滤波、 抗混滤波等， 其中前置放大采用ADI公司的AD8422且 放大倍数设为500倍， 高通滤波器的截至频率设为0.5Hz， 抗混叠滤波采用一个四阶的巴特 沃斯滤波器， 截至频率设为100Hz， 运放选用TI的AD2227； (2)AD转换电路采用TI的ADS1294， 1。
18、294是一个24位、 四通道的高精度AD转换器； (3)处理器选用C8051f320， 其通过SPI接口从 说 明 书 3/4 页 5 CN 106725417 A 5 1294获取数据， 并通过串口与B盒中的无线模块传输数据。 0039 图1所示B盒中的无线传输、 两电池及隔离器件的实施例方案如下： (1)无线模块采 用无线Wi-Fi模块， 具体选用USR-WIFI232-B系列Wi-Fi传输模块， 支持UART/GPIO/以太网三 种通讯接口， 其中串口(UART)支持的传输速率为300bps230400bps， 选择串口115200bps 的传输速率进行数据传输； (2)隔离器件选择AD。
19、uM1402， 其支持1Mbps以上的数据通行速率； (3)采用两块一样的聚合物锂电池MP1482供电， 将聚合物锂电池输出的4.2V电压稳压到 3.3V， 0040 图1所示A盒和B盒间通过1米USB延长线进行连接并通信。 0041 在PCB板上实现了图1所示系统， 实物图如图5所示； 并进行了实际心电采集测试， 如图6所示； 同时进行了采集系统的输入短路本底噪声测试， 结果如图4所示。 说 明 书 4/4 页 6 CN 106725417 A 6 图1 图2 说 明 书 附 图 1/3 页 7 CN 106725417 A 7 图3 图4 说 明 书 附 图 2/3 页 8 CN 106725417 A 8 图5 图6 说 明 书 附 图 3/3 页 9 CN 106725417 A 9 。