基于ADS1293及單片機(jī)控制的便攜式低功耗心電信號(hào)采集系統(tǒng)

心電信號(hào)是一種由心肌收縮而產(chǎn)生，并可提供心臟生理功能變化信息的生物電信號(hào)，將測量電極放在身體的不同部位，把不同體表的電位差變化記錄下來，就得到了心電圖(Electro Cardio Gram，ECG)。由于易于檢測且直觀性較好，在臨床醫(yī)學(xué)中得到較為廣泛的應(yīng)用)。然而傳統(tǒng)心電信號(hào)采集設(shè)備體積較大，不便于實(shí)時(shí)獲取心電信號(hào)。因此研究便攜式、低功耗的心電信號(hào)采集系統(tǒng)有重要意義。本文以低功耗模擬前端ADS1293為基礎(chǔ)，結(jié)合MSP430系列低功耗單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種可用于超低功耗和微型化的心電信號(hào)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

心電信號(hào)采集系統(tǒng)主要由信號(hào)采集前端ADS1293和MSP430單片機(jī)控制電路組成。工作原理如下：電極提取的人體心電信號(hào)，首先送入ADS 1293做適當(dāng)?shù)姆糯蠛筮M(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號(hào)。然后通過SPI接口送入MSP430單片機(jī)進(jìn)行分析和處理，最后通過單片機(jī)的USB接口送到便攜式顯示設(shè)備實(shí)時(shí)顯示波形。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.1 信號(hào)采集前端ADS1293

ADS1293是美國德州儀器公司(TI)用于生物電勢測量的3通道、24位集成模擬前端，它能夠針對(duì)特定的采樣率和帶寬對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行設(shè)定，使用戶能夠針對(duì)性能和功耗來優(yōu)化配置。其還具有交直流斷線檢測(Lead_off Detect)、電池電量監(jiān)控和自我診斷報(bào)警等功能，內(nèi)置有ECG應(yīng)用所需的右腿驅(qū)動(dòng)電路租Wilson/Goldberger終端。ADS1293內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部引腳的連接方式如圖2所示，從信號(hào)的流向可劃分為信號(hào)輸入接口、信號(hào)處理單元和信號(hào)輸出接口等部分。

圖2 ADS1293原理圖

(1)信號(hào)輸入接口。信號(hào)輸入引腳從IN1～I(xiàn)N6共有6個(gè)，全部輸入引腳都包含一個(gè)電磁干擾(EMI)過濾器以濾除射頻噪聲。系統(tǒng)采用5導(dǎo)聯(lián)連接方式，即右臂(RA)、左臂(LA)和左腿(LL)分別連接到IN1、IN2和IN3引腳;共模探測器(CM detect)取得RA、LA和LL的平均電壓用作右腿驅(qū)動(dòng)(RLD)放大器的輸入，右腿驅(qū)動(dòng)放大器的輸出再返回到右腿(RL)端，一起從IN4引腳輸入。右腿驅(qū)動(dòng)電路的作用是控制病人的共模水平，提升系統(tǒng)的交流抑制比;威爾遜網(wǎng)絡(luò)(WCT)的輸出連接到IN6引腳，與連接到IN5引腳的V1(胸電極)一起作為CH3通道的差分信號(hào)輸入。

(2)信號(hào)處理單元。主要由儀用放大器(INA)、∑△調(diào)節(jié)器(SDM)和低通數(shù)字濾波器(Digital Filter)3部分組成，主要作用是將差分模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。儀用放大器是一個(gè)具有高輸入阻抗的運(yùn)算放大電路，主要有兩個(gè)作用：1)對(duì)差分信號(hào)起一定的放大作用。2)提供高輸入阻抗，以便從ECG電極獲取更大的輸入信號(hào)。儀用放大器的輸出信號(hào)送入∑△調(diào)制器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，∑△調(diào)制器是基于過采樣的一位編碼技術(shù)，輸出反映了輸入信號(hào)幅度的一位編碼數(shù)據(jù)流。低通數(shù)字濾波器由3個(gè)可編程的5階sin型濾波器組成，∑△調(diào)制器的輸出由低通數(shù)字濾波器處理后，即可得到N位編碼輸出。

(3)信號(hào)輸出接口。主要包括4線SPI串行接口、DRDYB引腳和ALRAM引腳。各引腳的功能如下：SCLK為串行時(shí)鐘輸入引腳;SDI為串行數(shù)據(jù)輸入引腳，共16位，其中，1位讀寫控制，7位地址和8位數(shù)據(jù)。在時(shí)鐘上升沿期間，所有數(shù)據(jù)被采樣和在第16個(gè)時(shí)鐘上升沿時(shí)被寫入寄存器中。SDO為串行數(shù)據(jù)輸出引腳，在8～15個(gè)時(shí)鐘下降沿，SDO引腳讀數(shù)據(jù)。CSB為片選引腳，低電平有效，在低電平期間SPI接口開始讀寫數(shù)據(jù)，低電平維持16個(gè)時(shí)鐘周期;DRDYB為模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束引腳，表示芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好可以讀取，低電平有效，通常可用作CPU的中斷信號(hào)或狀態(tài)查詢信號(hào);ALARMB為報(bào)警引腳，ADS1293有一個(gè)自我診斷報(bào)警系統(tǒng)，用于診斷在ECG應(yīng)用中可能發(fā)生的異常情況，這些異常情況主要包括電極脫落、同步錯(cuò)誤、低電警告和3個(gè)通道工作異常等，一旦有異常情況發(fā)生就報(bào)告給錯(cuò)誤標(biāo)志，并在ARLAM引腳上顯示。

1.2 MSP430單片機(jī)控制電路

選用TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F5529作為主控制器，其具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，各個(gè)模塊運(yùn)行完全獨(dú)立，包括定時(shí)器、輸入/輸出端口、看門狗和UART等均可在主CPU休眠的狀態(tài)下獨(dú)立運(yùn)行。在所有模塊都處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電流的典型值為290μA/MHz。在待機(jī)模式下，電流的典型值僅為0.18μA，從待機(jī)到喚醒的響應(yīng)時(shí)間為3.5μs。MSP430F5529含有2個(gè)通用串行通信接口(USCI)模塊，支持多種通信模式，如UART、IrDA、I2C、SPI和USB。在系統(tǒng)中，MSP430F5529利用SPI接口對(duì)ADS1293進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的傳輸，其中，MSP430F5529工作于主模式下，ADS1293工作于從模式下。通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖銛y式顯示設(shè)備或計(jì)算機(jī)，圖3給出了MSP430F5529的接口電路。

圖3 MSP430單片機(jī)接口電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括：(1)對(duì)ADS1293進(jìn)行控制，完成心電信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過SPI接口讀取數(shù)據(jù)。(2)通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示設(shè)備實(shí)時(shí)顯示，程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程圖

首先，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，配置與ADS1293通信的SPI接口和與顯示設(shè)備相連的USB接口。再通過設(shè)置相關(guān)的寄存器來實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS1293的初始化，包括儀用放大器和∑△調(diào)節(jié)器的工作頻率設(shè)定、可編程濾波器的參數(shù)設(shè)置以及各報(bào)警寄存器的設(shè)置等。然后啟動(dòng)ADS1293，通過查詢DRDYB引腳的狀態(tài)來判斷ADS1293模/數(shù)轉(zhuǎn)換是否完成和數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，若未準(zhǔn)備好，繼續(xù)查詢。否則，產(chǎn)生一個(gè)中斷給單片機(jī)MSP430F5529再通過SPI接口讀取ADS1293寄存器中的數(shù)據(jù)，通過USB接口發(fā)送給顯示設(shè)備。

3 結(jié)束語

本文提出了一種低功耗、便攜式心電信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)采用低功耗模擬前端芯片ADS1293來替代傳統(tǒng)的分立式前端電路，利用ADS1293內(nèi)部集成的右腿驅(qū)動(dòng)電路、威爾遜終端、電極脫落檢測等ECG應(yīng)用所需要的模塊簡化了前端電路，與分立式方案相比，可將組件數(shù)量降低90%以上。ADS1293單個(gè)通道功耗僅為0.3 mW，且具有靈活的斷電和待機(jī)模式，可延長便攜式設(shè)備的電池使用壽命。綜上所述，系統(tǒng)具有功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。