一种用于心脏起搏器的低功耗无线电量采集传输系统及方法与流程

文档序号：16341044发布日期：2018-12-19 07:07阅读：474来源：国知局

本发明涉及数据采集领域，尤其涉及一种用于心脏起搏器的低功耗无线电量采集传输系统及实现方法。

背景技术

对于严重心动过缓、房室传导阻滞等心脏病人而言，植入心脏起搏器是可靠的医治手段。心脏起搏器植入人体后，需对其工作状况与电池电量随时进行监测。否则，可能由于起搏器工作紊乱、与自主心律不相适应或电池电量枯竭导致生命危险。现有的监测方法，如24小时holter检查以及基于电话网的远程监测方法等，但是这些方式存在功耗较高、实时性较差、数据传输失真、病人活动范围受限等问题。

心脏起搏器需要采用电池供电，功耗控制是心脏起搏器电量采集传输系统设计中必不可少的组成部分。如何最大限度的降低心脏起搏器电量采集传输系统功耗、减少不必要的能源损失、延长电池使用时间已经成为心脏起搏器电量采集传输系统设计中研究的重点问题。在嵌入式系统中，其功耗主要由单片机功耗和外围硬件接口设备功耗组成，节省功耗是心脏起搏器电量采集传输系统硬件设计与软件控制相互结合的协调过程。

因此需要寻求一种低功耗的心脏起搏器电量采集传输系统及实现方法对心脏起搏器进行电量监测以及进行低电量情况下自动报警提醒，并且具备一定的精度和可靠性，最终可应用于临床。

技术实现要素：

本发明公开一种用于心脏起搏器的低功耗无线电量采集传输系统及实现方法，包括体外电路和体内电路。所述体外电路包括低电量报警电路模块，按键1，按键2，电源模块，电量显示模块，微控制芯片(mcu1)和无线数据传输模块1；所述体内电路包括无线数据传输模块2，微控制芯片(mcu2)，电量采集与电池寿命预估模块和被测起搏器锂离子电池。所述系统由用户通过按下按键1发送电量采集请求，发送的命令将唤醒体内电路的无线数传模2，当无线数传模块2接收到数据时通过引脚电平变化中断唤醒微控制芯片(mcu2)，然后接收电量信息并将电量信息传输给体外电路。所述系统可随时查看起搏器的电量和电池预估寿命信息，并且空闲时各个模块均处于睡眠状态，极大的降低了功耗。当所述被测起搏器锂电池电量低于设定值时启动自动报警电路模块，可通过按下按键2结束报警。

本发明提供一种用于心脏起搏器的低功耗无线电量采集传输系统及实现方法，包括体外电路和体内电路；如图1所示，所述体外电路包括低电量报警电路模块，按键1，按键2，电源模块，电量显示模块，微控制芯片mcu1和无线数据传输模块1；所述体内电路包括无线数据传输模块2，微控制芯片mcu2，电量采集与电池寿命预估模块和被测起搏器锂离子电池；

所述微控制芯片mcu1和微控制芯片mcu2采用stm32f103c8t6；

所述无线数据传输模块1和无线数据传输模块2均由无线数据传输芯片，晶振，板载天线及外围电路组成；优选的，所述无线数据传输模块1和无线数据传输模块2的无线数据传输芯片采用cc1101；

所述电量采集与电池寿命预估模块由电量采集芯片及其外围电路组成；优选的，所述电量采集芯片采用cw2015；

所述微控制芯片mcu1通过spi总线与无线数据传输模块1进行通信；

所述微控制芯片mcu2通过i2c总线与无线数据传输模块2进行通信；

所述体内电路所有模块均由所述被测起搏器锂离子电池供电，供电电压为3.3v；

所述电量显示模块由oled显示屏及其外围电路组成；

所述体外电路各模块均由所述电源模块提供电路3.3v电压供电；

所述低电量报警电路模块由蜂鸣器或其他报警装置及其外围电路组成；

所述按钮1一端与mcu1的可用gpio口相连，一端接地，作为是否发送唤醒指令的判断依据；

所述按钮2一端与mcu1的可用gpio口相连，一端接地，作为是否结束报警的判断依据；

如图2所示，所述的电量采集与电池寿命预估模块由包括微控制芯片mcu2，电量采集芯片cw2015，电阻r1，电阻r2，电阻r3，电容c1，电容c2；所述电阻r1的一端与微控制芯片mcu2的gpioit引脚及电量采集芯片cw2015的alrt引脚相连，另一端与微控制芯片mcu2的vdd引脚、电阻r2一端、电阻r3一端及被测锂离子电池正极p+相连；所述微控制芯片mcu2的i2c_sda引脚与所述电量采集芯片采用电量采集芯片cw2015的sda引脚相连；所述微控制芯片mcu2的i2c_scl引脚与所述电量采集芯片cw2015的scl引脚相连；所述微控制芯片mcu2的vss引脚、所述电容c1的一端、所述电容c2的一端、所述的电量采集芯片cw2015的ep引脚及vss引脚和所述的被测锂离子电池负极p-相连；所述电阻r2的另一端，所述电容c1的另一端与所述电量采集芯片cw2015的vcell引脚相连；所述电阻r3的另一端，所述电容c2的另一端与所述电量采集芯片cw2015的vdd引脚相连；

所述的无线数据传输芯片采用cc1101，其wor模式分为rx模式和非rx模式；所述cc1101只有在rx模式时去探测空气中是否有有效数据；

如图3所示，所述的无线数据传输芯片cc1101的wor模式可归纳为rx和非rx模式；只有在rx模式时芯片才会去探测空气中是否有有效数据，所以当体外电路的发送模块给体内接收模块发送唤醒指令时，必须采用连续发送模式；此处采用连续发送模式并且两个唤醒数据包之间加一定的延时；唤醒指令的发送时长和发送次数应满足一定条件使得被唤醒方能够在最长一个周期内接收到；

唤醒数据包发送时长为t发，间隔等待时长为t等，rx时间为trx，非rx时间为t非rx；如若保证无论何时按下按键，接受模块都能接收到唤醒指令，并且发送模块此时发送数据包的时长最短，由此必须满足如下a,b两个条件：

条件a：当要保证在发送唤醒指令包的那个rx内能接收到唤醒数据包时，考虑rx时长需要设置最长的情形，假设接收模块刚好没能完全接收到唤醒数据包的唤醒指令，如图3所示，一圈表示wor的一个周期t，即event0的时间,t＝trx+t非rx.满足条件a的关系式如下：

t＝trx+t非rx

满足条件a的关系式如下：

(2×t发+t等)<trx①

条件b：条件a所述的连续发送次数足够大，使得接收模块在一个周期内能够收到唤醒指令，考虑到发送时长，连续发送次数尽量少；假设发送次数为n,可得如下约束条件：

(t发+t等)×发送次数n>(2×t发+t等+t非rx)②

则最小发送次数：

根据式①可知式②不等式右边：

(2×t发+t等+t非rx)<t④

联合式②③④，可取发送次数n:

一种用于心脏起搏器的低功耗无线电量采集传输系统中体外数据传输处理方法，该方法包括以下步骤：

(1)微控制芯片mcu1和无线数据传输芯片1上电初始化，然后执行步骤(2)；所述微控制芯片mcu1初始化包括串口初始化，中断函数初始化，延迟函数初始化，spi初始化，按键初始化等；无线数据传输芯片1初始化包括wor功能初始化，调制解调器配置，同步字段设置等，其中wor功能初始化包括接受时间超时，rc振荡器时钟校准，wor轮询周期配置等；

(2)设置无线数据传输芯片1进入wor模式，然后执行步骤(3)；

(3)设置微控制芯片mcu1进入stop模式，然后执行步骤(4)；

(4)微控制芯片mcu1判断按键1是否按下，如果是执行步骤(5)，如果不是执行步骤(4)；

(5)微控制芯片mcu1的stop模式被中断，然后执行步骤(6)；

(6)设置无线数据传输芯片1为tx模式，连续发送唤醒指令，然后执行步骤(7)；

(7)设置无线数据传输芯片1进入rx模式，然后执行步骤(8)；

(8)判断无线数据传输芯片1检测是否收到回馈信息，如果是执行步骤(9)，如果不是执行步骤(6)；

(9)无线数据传输芯片1(cc1101)接收电量信息，然后执行步骤(10)；

(10)微控制芯片(mcu1)stm32f103c8t6处理电量信息，然后执行步骤(11)；

(11)电量显示模块显示电量信息30s，然后执行步骤(1)。

如图5所示，一种用于心脏起搏器的低功耗无线电量采集传输系统中体内数据传输处理方法，该方法包括以下步骤：

(1)微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6、电量采集芯片cw2015和无线数据传输芯片2(cc1101)上电初始化；所述微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t初始化包括串口初始化，中断函数初始化，延迟函数初始化，spi初始化，按键初始化等；无线数据传输芯片2(cc1101)初始化包括wor功能初始化，调制解调器配置，同步字段设置等，其中wor功能初始化包括接受时间超时，rc振荡器时钟校准，wor轮询周期配置等；然后执行步骤(2)；

(2)设置无线数据传输芯片2(cc1101)进入wor模式，然后执行步骤(3)；

(3)设置电量采集芯片cw2015进入sleep模式，然后执行步骤(4)；

(4)设置微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6进入stop模式，然后执行步骤(5)；

(5)检测无线数据传输芯片2(cc1101)是否收到唤醒指令，如果是执行步骤(6)，如果不是执行不走步骤(5)；

(6)无线数据传输芯片2(cc1101)主动进入tx模式，微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6被中断唤醒，然后执行步骤(7)；

(7)微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6控制电量采集芯片cw2015退出sleep模式；然后执行步骤(8)；

(8)无线数据传输芯片2(cc1101)发送回馈信息字符串，然后执行步骤(9)；

(9)微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6接收一次采样信息并赋值记录，然后执行步骤(10)；

(10)微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6延时2s，然后执行步骤(11)；

(11)微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6再接收一次采样信息并赋值记录，然后执行步骤(12)；

(12)微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6判断最近两次采样数据相差是否在误差范围内，如果是执行步骤(13)，如果不是则丢掉第一次采样数据然后执行步骤(10)；

(13)无线数据传输芯片2(cc1101)连续发送最近一次采样电量信息，然后执行步骤(1)。

如图6所示，一种用于心脏起搏器的低功耗无线电量采集传输系统中体内低电量报警中断方法，该方法包括以下步骤：

(1)体内低电量报警中断产生，然后执行步骤(2)；

(2)微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6被唤醒，然后执行步骤(3)；

(3)设置无线数据传输芯片2(cc1101)进入tx模式，然后执行步骤(4)；

(4)无线数据传输芯片2(cc1101)发送警报信息，然后执行步骤(5)；

(5)设置无线数据传输芯片2(cc1101)进入rx模式，然后执行步骤(6)；

(6)检测无线数据传输芯片2(cc1101)是否收到确认指令，如果是执行步骤(7)，如果不是执行不走步骤(2)；

(7)返回主程序。

如图7所示，一种用于心脏起搏器的低功耗无线电量采集传输系统中体外低电量报警中断方法，该方法包括以下步骤：

(1)体外低电量报警中断产生，然后执行步骤(2)；

(2)微控制芯片(mcu1)stm32f103c8t6被唤醒，然后执行步骤(3)；

(3)微控制芯片(mcu1)stm32f103c8t6启动报警电路报警，然后执行步骤(4)；

(4)微控制芯片(mcu1)stm32f103c8t6检测按键2是否按下，如果是执行步骤(5)，如果不是执行不走步骤(4)；

(5)设置无线数据传输芯片1(cc1101)进入tx模式，然后执行步骤(6)；

(6)设置无线数据传输芯片1(cc1101)发送确认指令一定时长，然后执行步骤(7)；

(7)返回主程序。

本发明的优点：

①当没有按下按键1或电量高于低电量阈值时，微控制芯片(mcu1)stm32f103c8t6和微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6处于低功耗模式下运行，按下按键1时正常唤醒。低电量时强制唤醒微控制芯片(mcu1)stm32f103c8t6和微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6以及无线数据传输芯片1(cc1101)和线数据传输芯片1(cc1101)，并进行报警；

②无线数据传输芯片cc1101不工作时设置为进入wor模式(电磁波激活)。wor模式下无线数传芯片cc1101不需要微控制芯片mcu的控制，无线数传芯片cc1101本身处于低功耗模式。可在其设定的时间内周期性的扫面空气中的信号，如果接收到正确的前导码就会醒过来。由于不需要微控制芯片mcu的干预，所以平时微控制芯片mcu可设置进入低功耗模式，收到数据时通过无线数传芯片cc1101来中断唤醒微控制芯片mcu；

③当无线数据传输芯片cc1101进行的数据任务传输完成后，将收到体外发来的重新进入wor的指令，继续低功耗运行；

④电量测量芯片cw2015平时进入睡眠模式，实现方法是在微控制芯片进入stop模式或sleep模式之前，往该芯片mode寄存器里面写11。睡眠模式下理论消耗电流小于1ua。当微控制芯片被中断唤醒了需要向外面输出电量信息时，往mode寄存器里面写00唤醒电量测量芯片cw2015使其达到正常工作状态，及时采样电量信息。

⑤当用户不需要知道电量信息时和低电量报警没有启动时，系统处于闲时状态，微控制芯片mcu，无线数据传输芯片cc1101，电量测量芯片cw2015均进入低功耗模式运行，极大降低了电量采集系统的平均功耗。当按键1按下时，系统快速反应，准确的输出电量信息和电池预估寿命。低电量时采用中断方式唤醒系统进行报警。

附图说明

图1为本发明电量采集无线传输系统结构示意图；

图2为本发明电量采集与电池寿命预估模块电路连接图；

图3为本发明无线数据传输芯片cc1101工作时间示意图；

图4为本发明体外数据传输处理方法流程图；

图5为本发明体内数据传输处理方法流程图；

图6为本发明体内低电量报警中断方法；

图7为本发明体外低电量报警中断方法。

具体实施方式

本发明公开一种用于心脏起搏器的低功耗无线电量采集传输系统及实现方法，包括体外电路和体内电路。所述体外电路包括低电量报警电路模块，按键1，按键2，电源模块，电量显示模块，微控制芯片(mcu1)和无线数据传输模块1；所述体内电路包括无线数据传输模块2，微控制芯片(mcu2)，电量采集与电池寿命预估模块和被测起搏器锂离子电池。所述系统由用户通过按下按键1发送电量采集请求，发送的命令将唤醒体内电路的无线数传模2，当无线数传模块2接收到数据时通过引脚电平变化中断唤醒微控制芯片(mcu2)，然后接收电量信息并将电量信息传输给体外电路。所述系统可随时查看起搏器的电量和电池预估寿命信息，并且空闲时各个模块均处于睡眠状态，极大的降低了功耗。当所述被测起搏器锂离子电池电量低于设定值时启动自动报警电路模块，可通过按下按键2结束报警。

本发明提供一种用于心脏起搏器的低功耗无线电量采集传输系统及实现方法，包括体外电路和体内电路；如图1所示，所述体外电路包括电量报警电路模块，按键1，按键2，电源模块，电量显示模块，微控制芯片(mcu1)和无线数据传输模块1；所述体内电路包括无线数据传输模块2，微控制芯片(mcu2)，电量采集与电池寿命预估模块和被测起搏器锂离子电池；

优选的，所述微控制芯片(mcu1)和微控制芯片(mcu2)采用stm32f103c8t6；

所述电量采集与电池寿命预估模块由电量采集芯片及其外围电路组成；优选的，所述电量采集芯片采用cw2015；

所述微控制芯片(mcu1)通过spi总线与无线数据传输模块1进行通信；

所述微控制芯片(mcu2)通过i2c总线与无线数据传输模块2进行通信；

所述体内电路所有模块均由所述被测起搏器锂离子电池供电，供电电压为3.3v；

所述电量显示模块由oled显示屏及其外围电路组成；

所述体外电路各模块均由所述电源模块提供电路3.3v电压供电；

所述低电量报警电路模块由蜂鸣器或其他报警装置及其外围电路组成。

如图2所示，所述的电量采集与电池寿命预估模块由包括微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6，电量采集芯片cw2015，电阻r1，电阻r2，电阻r3，电容c1，电容c2；所述电阻r1的一端与微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6的vss引脚及电量采集芯片cw2015的alrt引脚相连，另一端与微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6的vdd引脚、电阻r2一端、电阻r3一端及被测锂离子电池正极p+相连；所述微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6的i2c_sda引脚与所述电量采集芯片采用电量采集芯片cw2015的sda引脚相连；所述微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t的i2c_scl引脚与所述电量采集芯片cw2015的scl引脚相连；所述微控制芯片(mcu2)stm32f103c8t6的vss引脚、所述电容c1的一端、所述电容c2的一端、所述的电量采集芯片cw2015的ep引脚及vss引脚和所述的被测锂离子电池负极p-相连；所述电阻r2的另一端，所述电容c1的另一端与所述电量采集芯片cw2015的vcell引脚相连；所述电阻r3的另一端，所述电容c2的另一端与所述电量采集芯片cw2015的vdd引脚相连；

所述的无线数据传输芯片采用cc1101，其wor模式分为rx模式和非rx模式；所述cc1101只有在rx模式时去探测空气中是否有有效数据；

如图3所示，所述的无线数据传输芯片cc1101的wor模式可归纳为rx和非rx模式。只有在rx模式时芯片才会去探测空气中是否有有效数据，所以当体外电路的发送模块给体内接收模块发送唤醒指令时，必须采用连续发送模式。此处采用连续发送模式并且两个唤醒数据包之间加一定的延时。唤醒指令的发送时长和发送次数应满足一定条件使得被唤醒方能够在最长一个周期内接收到。

唤醒数据包发送时长为t发，间隔等待时长为t等，rx时间为trx，非rx时间为t非rx。如若保证无论何时按下按键，接受模块都能接收到唤醒指令，并且发送模块此时发送数据包的时长最短，由此必须满足如下a,b两个条件：

t＝trx+t非rx.

满足条件a的关系式如下：

(2×t发+t等)<trx①

条件b：条件a所述的连续发送次数应该足够大，使得接收模块在一个周期内能够收到唤醒指令，考虑到发送时长，连续发送次数应该尽量少。假设发送次数为n,可得如下约束条件：

(t发+t等)×发送次数n>(2×t发+t等+t非rx)②

则最小发送次数：

根据式①可知式②不等式右边：

(2×t发+t等+t非rx)<t④

联合式②③④，可取发送次数n:

一种用于心脏起搏器的低功耗无线电量采集传输系统及实现方法，其特征在于，所述的的实现方法包括体外数据传输处理方法，体内数据传输处理方法，体内低电量报警中断方法，体外低电量报警中断方法；

如图4所示，一种用于心脏起搏器的低功耗无线电量采集传输系统及实现方法所述体外数据传输处理方法，其实现方法包括以下步骤：

(1)微控制芯片(mcu1)stm32f103c8t6和无线数据传输芯片1(cc1101)上电初始化，然后执行步骤(2)；所述微控制芯片(mcu1)stm32f103c8t初始化包括串口初始化，中断函数初始化，延迟函数初始化，spi初始化，按键初始化等；无线数据传输芯片1(cc1101)初始化包括wor功能初始化，调制解调器配置，同步字段设置等，其中wor功能初始化包括接受时间超时，rc振荡器时钟校准，wor轮询周期配置等；

(2)设置无线数据传输芯片1(cc1101)进入wor模式，然后执行步骤(3)；

(3)设置微控制芯片(mcu1)stm32f103c8t6进入stop模式，然后执行步骤(4)；

(4)微控制芯片(mcu1)stm32f103c8t6判断按键1是否按下，如果是执行步骤(5)，如果不是执行不走步骤(4)；

(5)微控制芯片(mcu1)stm32f103c8t6的stop模式被中断，然后执行步骤(6)；

(6)设置无线数据传输芯片1(cc1101)为tx模式，连续发送唤醒指令，然后执行步骤(7)；

(7)设置无线数据传输芯片1(cc1101)进入rx模式，然后执行步骤(8)；

(8)判断无线数据传输芯片1(cc1101)检测是否收到回馈信息，如果是执行步骤(9)，如果不是执行步骤(6)；