基于MSP430的心電采集系統(tǒng)設(shè)計

摘要

采用儀表放大器和MSP430單片機(jī)設(shè)計開發(fā)了一種簡單有效的心電采集測量系統(tǒng)。通過標(biāo)準(zhǔn)2導(dǎo)聯(lián)，把生物電信號傳送到放大器，由于生物電信號比較微弱，信號還需要經(jīng)過二次放大。利用50 Hz陷波器消除工頻干擾;使用單片機(jī)采集數(shù)據(jù);采用單端模式，測量心電信號測量范圍0~600 mV.可以在12864液晶屏上顯示，也可通過串口傳送到個人計算機(jī)。最后為試驗系統(tǒng)編寫了上位機(jī)程序，該系統(tǒng)可以為醫(yī)生提供病人的遠(yuǎn)程參考數(shù)據(jù)。

隨著微電子技術(shù)與工藝的發(fā)展，各種電子產(chǎn)品逐漸趨于小型化和集成化，而功能更強(qiáng)大，這使得醫(yī)用設(shè)備家庭化成為可能。隨著我國城市人口老齡化、物質(zhì)生活的改善，心血管疾病不斷增加，人們對這一類疾病的預(yù)防和診斷需求也在增長。文中采用TI公司的SOc型混合微處理器單片機(jī)，用Altera公司的CPLD做為控制器，處理心電和脈搏信號。作為數(shù)字前端的心電和脈搏信號，經(jīng)過由放大器組成的模擬電路，放大、濾波和陷波處理，經(jīng)控制系統(tǒng)，通過串口發(fā)送到個人計算機(jī)，同時設(shè)有報警裝置。此心電和脈搏測量最小系統(tǒng)以插卡形式給出，通過PCI接口完成對其電源配置和CPLD連接到液晶顯示。

1 心電和脈搏處理電路設(shè)計

采用標(biāo)準(zhǔn)II導(dǎo)聯(lián)模式，將電極分別接在人體的左右手腕和左腳腕。具體的連接如圖1所示，左右手兩路信號連接到易用放大器，左腳接地，進(jìn)行一次放大。從人體皮膚測得的心電信號較微弱，而且經(jīng)常疊加著各種干擾和噪聲，最常見的就是電網(wǎng)的工頻干擾。因此信號要進(jìn)行二次放大并且進(jìn)行50 Hz陷波處理。接下來的數(shù)據(jù)一路送往報警檢測電路，另一路送往單片機(jī)處理。

圖1 心電與脈搏處理電路

由于心電信號微弱，儀用放大器輸入電阻大，共模抑制比高，增益調(diào)節(jié)方便，使用易用放大器作為輸入級。

放大器件采用INA128增益

Rg是2腳和8腳之間的電阻值，設(shè)計中為滑動變阻器與固定電阻之和，變化范圍是220~5220Ω，增益變化范圍約為10~228 dB動態(tài)范圍很大。

心電信號經(jīng)過放大后仍需要二次放大，其電路采用普通的同相比例放大器經(jīng)過二次放大后，所得信號可達(dá)4~5 V.為消除50 Hz工作頻率的影響，采用傳統(tǒng)的陷波器，抑制50Hz噪聲。

陷波器有兩種：一種是使用雙由雙T網(wǎng)絡(luò)和運放組成;另一種是由帶通濾波氣和相加器組成。文中使用的是帶通濾波器和相加器構(gòu)成的陷波器，如圖2所示。

圖2 帶通濾波器和相加器構(gòu)成的陷波器

U1信號加入進(jìn)帶通濾波器，使用雙蹤示波器觀察U1和U2波形，調(diào)節(jié)滑動變阻器使得U2處50 Hz信號最大，帶通濾波器中心頻率為50 Hz,U1和U2信號等幅度反相位，信號U2進(jìn)入加法器，微調(diào)變阻器使U3輸出接近為零，抑制50 Hz信號，這就完成了50 Hz陷波。由于模擬電路噪聲的存在，50 Hz仍然有微弱輸出，可以通過數(shù)字濾波進(jìn)行消除。

圖3是50 Hz陷波以后示波器觀察的心電信號。圖4是50 Hz陷波以后示波器觀察的脈搏信號。陷波以后的信號一路送往報警電路，一路送往單片機(jī)，進(jìn)行采樣處理。

圖3 心電信號

圖4 脈搏信號

2 MSP430單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

MSP430系列單片機(jī)是TI公司1996年推出的一個優(yōu)秀的SOC型混合微處理器產(chǎn)品系列，16位的高效的微處理器系統(tǒng)，豐富強(qiáng)大的外圍電路資源，其中也包括很多高性能的模擬電路資源，低功耗成為被廣泛應(yīng)用的一款單片機(jī)設(shè)計采用MSP430的2系列單片機(jī)。對心電信號進(jìn)行A/D采樣。然后經(jīng)模擬串口發(fā)送到個人計算機(jī)。

2.1 Sigma-delta模塊

2系列單片機(jī)含有獨立的16位ADC,并且包含基準(zhǔn)源，可編程序增益放大器以及溫度傳感器，適合各種高精度測量應(yīng)用，SD16模塊部分框圖如圖5所示，它采用Sigma-delta調(diào)制技術(shù)。

圖5 SD16模塊部分框圖

SD16模塊含有獨立的控制寄存器，并且有8個獨立的差分通道，6通道接到內(nèi)部傳感器，通道7短路，用于0 V校準(zhǔn)。其實ADC模塊只是引出數(shù)量有限的通道，原因是管腳受限。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

MSP430單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計硬件框圖如圖6所示。

圖6 MSP430單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計硬件框圖

數(shù)據(jù)采集部分，使用單端模式，時鐘為輔助時鐘32.768 kB,2分頻以后，過采樣率為256 Hz,實際采樣率為64 Hz,相對于心電信號和脈搏信號，滿足奈奎斯特采樣定律。采樣數(shù)據(jù)可以通過模擬串口發(fā)送到上位機(jī)PC,也可以通過CPLD至液晶屏實時顯示波形。

2.3 數(shù)據(jù)采集和模擬串口發(fā)送軟件設(shè)計

有單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口傳送到計算機(jī)，使用SPI(Serial Peripheral Interface)協(xié)議。

由于計算機(jī)串口電平轉(zhuǎn)化，采用Max232N進(jìn)行設(shè)計，電路圖如圖7所示。

圖7 MAX232N與串口protel原理圖

MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS~232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片由3部分組成，圖7是Protel原理圖。

(1)供電部分包括電源和地，分別是16腳和15腳，5V電源。

(2)電荷泵電路部分，功能是提供正負(fù)12 V電源，供給RS-232串口使用，使用了前6個引腳，1和3腳之間，4和5腳之間使用了極性電容分別為1μF.

(3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分，有兩個數(shù)據(jù)通道。第一數(shù)據(jù)通道包括13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT);第二數(shù)據(jù)通道包括8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭;DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。

MSP430單片機(jī)低功耗主要靠時鐘休眠來實現(xiàn)，中斷子程序可以喚醒不同深度的休眠模式。因此，充分利用時中斷、休眠和時鐘之問的關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和串口發(fā)送。單片機(jī)程序流程圖，如圖8所示。

圖8 單片機(jī)程序流程圖

使用定時器模擬串口通信協(xié)議，產(chǎn)生波特率9 600 bit·s-1.由于是16位A/D,每次傳送8位到計算機(jī)，分兩次傳輸，先傳送高8位，然后傳送低8位，采樣率為64Hz。

3 實驗結(jié)果和PCB設(shè)計

數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到計算機(jī)，沒有數(shù)字濾波之前使用Matlab仿真現(xiàn)顯示的波形如圖9所示。

圖9 心電波形

與正常電信號相比濾波之后能夠反映出心臟的基本工作狀況。南于是數(shù)模混合電路，PCB插卡的設(shè)計和調(diào)試較重要，數(shù)字地和模擬地應(yīng)分開且單點連接。CPLD和液晶在試驗基板上，插卡只是整個大系統(tǒng)的一小部分。

4 基于LabVIEW上位機(jī)設(shè)計

設(shè)計了基于LabVIEW的上位機(jī)界面，LabVIEW是一種圖形化程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但LabVIEW與其他計算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用圖形化編輯的G語言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖形式。

圖10是上位機(jī)程序界面，可以實現(xiàn)心率測量，數(shù)據(jù)區(qū)域放大、拖動、存儲和回放，既可以自動測量，也可以設(shè)定門限手動測量。

圖10 上位機(jī)界面

5 結(jié)束語

設(shè)計時考慮到了成本和單片機(jī)的資源需求，測量心電和脈搏是分開的，PCB插卡上有跳線，可以在不同需要時進(jìn)行選擇。設(shè)計采用傳統(tǒng)的模擬電路和最新的數(shù)字器件，用單片機(jī)自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，對信號進(jìn)行采集，定時器產(chǎn)生波特率中斷模擬串口，通過串口發(fā)送到計算機(jī)，實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化處理，最后使用LabVIEW編寫上位機(jī)程序。不足之處是，遠(yuǎn)程傳輸問題考慮得不夠完備，應(yīng)當(dāng)改進(jìn)。