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控與分析的醫療電子設備。本設計方案主要面向便攜式、低功耗、高精度的智能胎心儀產品，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，尤其在復雜環境下保持準確性。

• 穩定性與可靠性：長時間工作不發生漂移，能夠抵抗電磁干擾和環境噪聲。

• 無線通信：支持藍牙等無線技術，將檢測數據實時傳輸到移動終端或云平臺，方便醫生遠程監控。

• 低功耗設計：采用高效電源管理方案，延長設備續航時間，適用于便攜式醫療設備。

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

二、系統總體框架

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雜）：

             +-------------------------+
             |       電池/電源模塊     |
             |  （充電、穩壓、濾波電路）|
             +-------------+-----------+
                           |
                           v
             +-------------------------+
             |      信號采集調理模塊    |<-----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關系如下：

• 電源模塊：負責為整個系統提供穩定直流電壓，包含鋰電池充電管理、降壓穩壓與濾波設計。

• 信號采集調理模塊：對胎心信號進行前端預處理，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換成適合后續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：作為系統核心，負責采集ADC數據，進行數字濾波、信號處理與心率算法計算，同時管理數據通信、顯示以及存儲等任務。

• 無線通信模塊：通過BLE（藍牙低功耗）模塊實現與手機或其他終端設備的數據交互，支持實時數據上傳與遠程監控。

• 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據，同時可通過EEPROM或SD卡對數據進行存儲備份。

三、詳細模塊設計

3.1 電源模塊設計

3.1.1 功能要求

• 穩壓輸出：提供3.3V和5V（如有需要）兩路穩定直流電壓，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，確保設備安全、穩定運行。

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

3.1.2 優選元器件及選型理由

• 鋰電池充電IC：例如MCP73831

• 作用：負責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、穩定性好，適用于便攜醫療設備。

• 降壓穩壓器：例如AMS1117-3.3或LD1117系列

• 作用：將電池電壓穩定轉換為3.3V供電。

• 選型理由：穩定性高、輸出噪聲低、成本經濟，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：優良的高頻性能和溫度穩定性，確保電源模塊工作穩定。

3.2 信號采集與調理模塊

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 優選元器件及選型理由

• 儀表放大器：例如AD8221

• 作用：實現高精度信號放大，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：將前級調理后的信號緩沖輸出，確保信號驅動能力滿足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動能力。

• 選型理由：LM358價格低廉且廣泛應用，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、穩壓二極管

• 作用：用于抑制瞬態過電壓、靜電放電保護。

• 選型理由：器件響應快，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

• 數據采集處理：內置高精度ADC模塊，實時采集胎心信號，并進行數字濾波、降噪與心率計算。

• 多任務處理：協調控制無線通信、顯示更新、數據存儲等功能。

• 低功耗管理：支持休眠模式及動態頻率調控，以延長設備續航。

3.4.2 優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，負責信號采集、數據處理、通信與外設管理。

• 選型理由：STM32F103系列具有豐富的外設接口、較高的運算性能和低功耗特性，同時開發生態成熟，便于后續二次開發。

• 外部存儲及接口：可選24LC256 EEPROM用于存儲歷史數據；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，適合保存關鍵參數與歷史記錄；SD卡模塊則方便大容量數據存儲和數據備份。

3.5 無線通信模塊

3.5.1 功能要求

• 數據實時傳輸：通過藍牙低功耗（BLE）模塊將采集到的胎心信號及處理結果傳輸到智能終端（手機、平板或電腦）。

• 穩定連接：保證在復雜環境下通信的穩定性和低延遲。

3.5.2 優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：實現無線數據傳輸與設備配對。

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

3.6 顯示與人機交互模塊

3.6.1 功能要求

• 實時數據顯示：通過OLED顯示屏實時展示胎心波形、心率數值、設備狀態等信息。

• 按鍵/觸控操作：提供必要的用戶操作接口，用于設備設置、數據查詢及報警確認。

3.6.2 優選元器件及選型理由

• OLED顯示屏：例如SSD1306驅動的0.96寸顯示屏

• 作用：實現高對比度、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，適合嵌入式應用。

• 按鍵模塊及觸摸傳感器：可選常規按鍵陣列或電容觸摸模塊

• 選型理由：操作簡單、響應迅速，能提升用戶體驗。

四、系統關鍵技術解析

4.1 信號采集關鍵技術

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 數字信號處理與算法

MCU內部的ADC對采集的模擬信號進行采樣后，利用嵌入式數字信號處理算法進行降噪、濾波（如采用FIR/IIR數字濾波器）和心率計算。通過實時監控胎心波形，提取QRS波群特征，實現自動報警與數據記錄。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的補償與校正。

4.3 無線通信穩定性保障

針對BLE通信，設計時應注意天線布局與屏蔽設計，避免因PCB走線不當導致信號衰減或干擾。結合MCU對BLE模塊的調控，確保在實際使用環境中，設備能夠實現穩定、低功耗的數據傳輸。

4.4 電源管理與低功耗設計

電源模塊采用雙級穩壓方案，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電壓調控，有效延長續航時間。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設計中，應注意以下幾點：

• 分區布局：將模擬電路、數字電路、功率電路分開布置，減少相互干擾。

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

• 信號走線：模/數信號應盡量短直，避免彎曲和交叉干擾；對敏感信號可采用屏蔽走線設計。

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

六、綜合設計說明

本方案通過采用MCP73831作為充電管理IC、AMS1117-3.3作為穩壓器，以及AD8221和OPA2333組合構成高精度信號前端；核心MCU選用STM32F103C8T6，結合HM-10藍牙模塊實現無線數據傳輸，同時配備SSD1306 OLED顯示屏，構成一套集數據采集、信號調理、數字處理、顯示和通信于一體的智能胎心儀系統。各模塊器件均選用市場上成熟、穩定的元器件，具有低功耗、低噪聲和高集成度的優勢，能夠滿足便攜醫療設備對信號處理精度和系統可靠性的苛刻要求。

設計中對每個模塊的功能都做了充分考慮，例如：

• 電源模塊的設計不僅要滿足電壓穩定，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，確保后續數字信號處理的準確性；

• MCU的多任務處理能力保證了實時數據采集與顯示，以及無線數據傳輸的及時性；

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

七、結論

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

在實際項目開發過程中，設計人員應根據原型測試數據不斷優化各模塊參數，并對軟件算法進行反復驗證，以確保設備在臨床應用中的準確性和穩定性。該方案不僅具有較高的理論參考價值，也為后續產品迭代升級提供了明確的技術路線。