一、方案概述

智能胎心儀是一種用于檢測胎兒心率并對心跳信號進行實時監(jiān)控與分析的醫(yī)療電子設(shè)備。本設(shè)計方案主要面向便攜式、低功耗、高精度的智能胎心儀產(chǎn)品，其核心要求包括：

• 高靈敏度與低噪聲：能夠捕捉微弱的胎心信號，尤其在復(fù)雜環(huán)境下保持準確性。

• 穩(wěn)定性與可靠性：長時間工作不發(fā)生漂移，能夠抵抗電磁干擾和環(huán)境噪聲。

• 無線通信：支持藍牙等無線技術(shù)，將檢測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)揭苿咏K端或云平臺，方便醫(yī)生遠程監(jiān)控。

• 低功耗設(shè)計：采用高效電源管理方案，延長設(shè)備續(xù)航時間，適用于便攜式醫(yī)療設(shè)備。

本方案主要包括電源模塊、信號采集與調(diào)理模塊、模擬前端電路、MCU控制模塊、無線通信模塊以及顯示/數(shù)據(jù)存儲模塊。各模塊之間協(xié)同工作，共同實現(xiàn)胎心信號的精準采集、處理與傳輸。

二、系統(tǒng)總體框架

下圖為智能胎心儀PCBA的電路框圖示意圖（示意圖僅供參考，實際電路圖可能更復(fù)雜）：

             +-------------------------+
             |       電池/電源模塊     |
             |  （充電、穩(wěn)壓、濾波電路）|
             +-------------+-----------+
                           |
                           v
             +-------------------------+
             |      信號采集調(diào)理模塊    |<-----傳感器：超聲波換能器或壓電探頭
             | (前置放大、濾波、隔離)   |
             +-------------+-----------+
                           |
                           v
             +-------------------------+
             |      模擬前端電路       |
             |  (儀表放大器、ADC緩沖)   |
             +-------------+-----------+
                           |
                           v
             +-------------------------+
             |         MCU             |<-----核心控制（例如STM32系列）
             +-----+-----------+-------+
                   |           |
                   |           |
           +-------v---+   +---v----------+
           | 無線通信  |   | 顯示/存儲模塊  |
           | (BLE模塊)|   | (OLED/EEPROM) |
           +----------+   +--------------+

各個模塊的作用與互聯(lián)關(guān)系如下：

• 電源模塊：負責(zé)為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定直流電壓，包含鋰電池充電管理、降壓穩(wěn)壓與濾波設(shè)計。

• 信號采集調(diào)理模塊：對胎心信號進行前端預(yù)處理，利用高精度低噪聲放大器和濾波電路，將弱小的生物電信號轉(zhuǎn)換成適合后續(xù)ADC采樣的電壓范圍。

• 模擬前端電路：利用儀表放大器等器件進一步放大信號，并提供抗共模干擾的能力，同時將模擬信號緩沖后輸入MCU的ADC。

• MCU模塊：作為系統(tǒng)核心，負責(zé)采集ADC數(shù)據(jù)，進行數(shù)字濾波、信號處理與心率算法計算，同時管理數(shù)據(jù)通信、顯示以及存儲等任務(wù)。

• 無線通信模塊：通過BLE（藍牙低功耗）模塊實現(xiàn)與手機或其他終端設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，支持實時數(shù)據(jù)上傳與遠程監(jiān)控。

• 顯示/存儲模塊：集成OLED顯示屏用于本地實時顯示胎心波形與心率數(shù)據(jù)，同時可通過EEPROM或SD卡對數(shù)據(jù)進行存儲備份。

三、詳細模塊設(shè)計

3.1 電源模塊設(shè)計

3.1.1 功能要求

• 穩(wěn)壓輸出：提供3.3V和5V（如有需要）兩路穩(wěn)定直流電壓，為MCU、傳感器及外圍電路供電。

• 電池充電管理：采用鋰離子電池，要求具備充電保護與電池管理功能，確保設(shè)備安全、穩(wěn)定運行。

• 低噪聲濾波：在電源輸出端采用低通濾波設(shè)計，消除高頻噪聲，降低對信號采集電路的干擾。

3.1.2 優(yōu)選元器件及選型理由

• 鋰電池充電IC：例如MCP73831

• 作用：負責(zé)電池充電控制和保護功能，具備過充、過流保護。

• 選型理由：低成本、體積小、穩(wěn)定性好，適用于便攜醫(yī)療設(shè)備。

• 降壓穩(wěn)壓器：例如AMS1117-3.3或LD1117系列

• 作用：將電池電壓穩(wěn)定轉(zhuǎn)換為3.3V供電。

• 選型理由：穩(wěn)定性高、輸出噪聲低、成本經(jīng)濟，且封裝常見、易于布局。

• 濾波電容與電感：選用低ESR多層陶瓷電容（如C0G/NP0）及低阻值電感

• 作用：提供電源濾波，降低高頻干擾。

• 選型理由：優(yōu)良的高頻性能和溫度穩(wěn)定性，確保電源模塊工作穩(wěn)定。

3.2 信號采集與調(diào)理模塊

3.2.1 功能要求

• 微弱信號放大：胎心信號幅值通常在毫伏級，需經(jīng)過前置放大器放大到適合ADC采樣的電平。

• 抗干擾處理：利用高共模抑制比（CMRR）的儀表放大器及濾波器消除環(huán)境噪聲和干擾信號。

• 隔離與保護：確保高增益放大電路與MCU電路之間的電氣隔離與過壓保護。

3.2.2 優(yōu)選元器件及選型理由

• 儀表放大器：例如AD8221

• 作用：實現(xiàn)高精度信號放大，同時具備良好的共模抑制能力。

• 選型理由：AD8221具有低漂移、低噪聲和寬電源范圍，適合生物電信號采集。

• 前置放大器/運算放大器：例如OPA2333或TLV2372

• 作用：在儀表放大器前對信號進行初級放大和緩沖。

• 選型理由：低輸入偏置電流、低噪聲、零漂性能好，能夠保障微弱信號的準確采集。

• 濾波器設(shè)計：采用有源或無源RC濾波電路，對信號進行帶通濾波（通常設(shè)計在0.5Hz～50Hz之間），有效濾除高頻干擾及工頻干擾。

• 選型理由：選用精密電阻與低ESR電容，保證濾波特性穩(wěn)定，信號帶寬與胎心信號匹配。

3.3 模擬前端電路

3.3.1 功能要求

• 信號緩沖：將前級調(diào)理后的信號緩沖輸出，確保信號驅(qū)動能力滿足MCU ADC采樣要求。

• 抗干擾保護：在信號輸入端加入保護電路，如過壓、浪涌保護電路。

3.3.2 優(yōu)選元器件及選型理由

• 運算放大器緩沖級：例如使用LM358或更高精度的OPA377

• 作用：作為緩沖放大器，提供低輸出阻抗和較高的驅(qū)動能力。

• 選型理由：LM358價格低廉且廣泛應(yīng)用，但若要求高精度可選擇OPA377，具備更低噪聲和更寬的工作溫度范圍。

• 保護元件：如TVS二極管、穩(wěn)壓二極管

• 作用：用于抑制瞬態(tài)過電壓、靜電放電保護。

• 選型理由：器件響應(yīng)快，保護效果顯著，能有效保護敏感模擬電路。

3.4 MCU控制模塊

3.4.1 功能要求

• 數(shù)據(jù)采集處理：內(nèi)置高精度ADC模塊，實時采集胎心信號，并進行數(shù)字濾波、降噪與心率計算。

• 多任務(wù)處理：協(xié)調(diào)控制無線通信、顯示更新、數(shù)據(jù)存儲等功能。

• 低功耗管理：支持休眠模式及動態(tài)頻率調(diào)控，以延長設(shè)備續(xù)航。

3.4.2 優(yōu)選元器件及選型理由

• MCU選擇：例如STM32F103C8T6

• 作用：作為核心控制單元，負責(zé)信號采集、數(shù)據(jù)處理、通信與外設(shè)管理。

• 選型理由：STM32F103系列具有豐富的外設(shè)接口、較高的運算性能和低功耗特性，同時開發(fā)生態(tài)成熟，便于后續(xù)二次開發(fā)。

• 外部存儲及接口：可選24LC256 EEPROM用于存儲歷史數(shù)據(jù)；如果需要大容量存儲，則采用SD卡接口。

• 選型理由：EEPROM體積小、功耗低，適合保存關(guān)鍵參數(shù)與歷史記錄；SD卡模塊則方便大容量數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)備份。

3.5 無線通信模塊

3.5.1 功能要求

• 數(shù)據(jù)實時傳輸：通過藍牙低功耗（BLE）模塊將采集到的胎心信號及處理結(jié)果傳輸?shù)街悄芙K端（手機、平板或電腦）。

• 穩(wěn)定連接：保證在復(fù)雜環(huán)境下通信的穩(wěn)定性和低延遲。

3.5.2 優(yōu)選元器件及選型理由

• BLE模塊：例如HM-10模塊或采用集成BLE功能的MCU（如Nordic nRF52832系列）

• 作用：實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸與設(shè)備配對。

• 選型理由：HM-10體積小、功耗低、通信距離適中，且已成熟穩(wěn)定；如果對數(shù)據(jù)處理要求較高，則可考慮nRF52832，其集成度高、功耗更低且具有更好的通信穩(wěn)定性。

3.6 顯示與人機交互模塊

3.6.1 功能要求

• 實時數(shù)據(jù)顯示：通過OLED顯示屏實時展示胎心波形、心率數(shù)值、設(shè)備狀態(tài)等信息。

• 按鍵/觸控操作：提供必要的用戶操作接口，用于設(shè)備設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢及報警確認。

3.6.2 優(yōu)選元器件及選型理由

• OLED顯示屏：例如SSD1306驅(qū)動的0.96寸顯示屏

• 作用：實現(xiàn)高對比度、低功耗的顯示效果。

• 選型理由：SSD1306具有低功耗、簡單接口（I2C或SPI）和豐富的顯示模式，適合嵌入式應(yīng)用。

• 按鍵模塊及觸摸傳感器：可選常規(guī)按鍵陣列或電容觸摸模塊

• 選型理由：操作簡單、響應(yīng)迅速，能提升用戶體驗。

四、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)解析

4.1 信號采集關(guān)鍵技術(shù)

胎心信號通常極為微弱，且易受肌電、工頻干擾影響。本方案采用雙級放大設(shè)計：

• 前置放大階段：利用低噪聲運算放大器（如OPA2333）對傳感器輸出的原始信號進行初級放大，并配合RC濾波電路有效抑制高頻噪聲；

• 儀表放大階段：采用AD8221儀表放大器，進一步對信號進行差分放大，提高共模抑制比，確保采集信號的準確性。

4.2 數(shù)字信號處理與算法

MCU內(nèi)部的ADC對采集的模擬信號進行采樣后，利用嵌入式數(shù)字信號處理算法進行降噪、濾波（如采用FIR/IIR數(shù)字濾波器）和心率計算。通過實時監(jiān)控胎心波形，提取QRS波群特征，實現(xiàn)自動報警與數(shù)據(jù)記錄。軟件算法中還需考慮運動偽影、信號漂移等問題，對檢測算法進行適當?shù)难a償與校正。

4.3 無線通信穩(wěn)定性保障

針對BLE通信，設(shè)計時應(yīng)注意天線布局與屏蔽設(shè)計，避免因PCB走線不當導(dǎo)致信號衰減或干擾。結(jié)合MCU對BLE模塊的調(diào)控，確保在實際使用環(huán)境中，設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸。

4.4 電源管理與低功耗設(shè)計

電源模塊采用雙級穩(wěn)壓方案，確保電源波動對信號采集無影響；同時MCU采用休眠模式及動態(tài)電壓調(diào)控，有效延長續(xù)航時間。此外，通過合理布局電源濾波器件，降低電源噪聲對敏感模擬電路的干擾。

五、PCB版圖與布局建議

在PCB設(shè)計中，應(yīng)注意以下幾點：

• 分區(qū)布局：將模擬電路、數(shù)字電路、功率電路分開布置，減少相互干擾。

• 電源走線：采用多層板設(shè)計時，合理規(guī)劃電源層和接地層，保證低阻抗和優(yōu)良的屏蔽效果。

• 信號走線：模/數(shù)信號應(yīng)盡量短直，避免彎曲和交叉干擾；對敏感信號可采用屏蔽走線設(shè)計。

• 元器件布局：高精度放大器和ADC附近應(yīng)盡量遠離大功率元件，同時預(yù)留調(diào)試接口與測試點。

六、綜合設(shè)計說明

本方案通過采用MCP73831作為充電管理IC、AMS1117-3.3作為穩(wěn)壓器，以及AD8221和OPA2333組合構(gòu)成高精度信號前端；核心MCU選用STM32F103C8T6，結(jié)合HM-10藍牙模塊實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，同時配備SSD1306 OLED顯示屏，構(gòu)成一套集數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、數(shù)字處理、顯示和通信于一體的智能胎心儀系統(tǒng)。各模塊器件均選用市場上成熟、穩(wěn)定的元器件，具有低功耗、低噪聲和高集成度的優(yōu)勢，能夠滿足便攜醫(yī)療設(shè)備對信號處理精度和系統(tǒng)可靠性的苛刻要求。

設(shè)計中對每個模塊的功能都做了充分考慮，例如：

• 電源模塊的設(shè)計不僅要滿足電壓穩(wěn)定，還必須兼顧抗干擾與低噪聲要求；

• 信號采集部分則重點在于前級放大和濾波處理，確保后續(xù)數(shù)字信號處理的準確性；

• MCU的多任務(wù)處理能力保證了實時數(shù)據(jù)采集與顯示，以及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性；

• 無線通信模塊和顯示模塊的集成，則提升了用戶體驗，使醫(yī)生和使用者能夠直觀地獲取胎心信息并進行遠程監(jiān)控。

七、結(jié)論

綜上所述，本設(shè)計方案從電源管理、信號采集與調(diào)理、模擬前端、MCU控制、無線通信以及顯示存儲各個環(huán)節(jié)進行了詳細論述，并針對每個模塊推薦了具體元器件型號和選型理由，確保了系統(tǒng)在低功耗、高精度、實時性和穩(wěn)定性方面均達到預(yù)期要求。通過合理的PCB布局設(shè)計以及各模塊間的協(xié)同工作，最終形成了一套完整的智能胎心儀PCBA方案。

在實際項目開發(fā)過程中，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)原型測試數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化各模塊參數(shù)，并對軟件算法進行反復(fù)驗證，以確保設(shè)備在臨床應(yīng)用中的準確性和穩(wěn)定性。該方案不僅具有較高的理論參考價值，也為后續(xù)產(chǎn)品迭代升級提供了明確的技術(shù)路線。