心電信號是一種由心肌收縮而產生，并可提供心臟生理功能變化信息的生物電信號，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)學中得到較為廣泛的應用)。然而傳統(tǒng)心電信號采集設備體積較大，不便于實時獲取心電信號。因此研究便攜式、低功耗的心電信號采集系統(tǒng)有重要意義。本文以低功耗模擬前端ADS1293為基礎，結合MSP430系列低功耗單片機設計了一種可用于超低功耗和微型化的心電信號采集系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)硬件設計
心電信號采集系統(tǒng)主要由信號采集前端ADS1293和MSP430單片機控制電路組成。工作原理如下：電極提取的人體心電信號，首先送入ADS 1293做適當?shù)姆糯蠛筮M行模/數(shù)轉換，變成數(shù)字信號。然后通過SPI接口送入MSP430單片機進行分析和處理，最后通過單片機的USB接口送到便攜式顯示設備實時顯示波形。
圖1 系統(tǒng)總體設計框圖
1.1 信號采集前端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，它能夠針對特定的采樣率和帶寬對每個通道進行設定，使用戶能夠針對性能和功耗來優(yōu)化配置。其還具有交直流斷線檢測(Lead_off Detect)、電池電量監(jiān)控和自我診斷報警等功能，內置有ECG應用所需的右腿驅動電路租Wilson/Goldberger終端。ADS1293內部結構與外部引腳的連接方式如圖2所示，從信號的流向可劃分為信號輸入接口、信號處理單元和信號輸出接口等部分。
圖2 ADS1293原理圖
(1)信號輸入接口。信號輸入引腳從IN1～IN6共有6個，全部輸入引腳都包含一個電磁干擾(EMI)過濾器以濾除射頻噪聲。系統(tǒng)采用5導聯(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動(RLD)放大器的輸入，右腿驅動放大器的輸出再返回到右腿(RL)端，一起從IN4引腳輸入。右腿驅動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;威爾遜網絡(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通道的差分信號輸入。
(2)信號處理單元。主要由儀用放大器(INA)、∑△調節(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轉換成數(shù)字信號。儀用放大器是一個具有高輸入阻抗的運算放大電路，主要有兩個作用：1)對差分信號起一定的放大作用。2)提供高輸入阻抗，以便從ECG電極獲取更大的輸入信號。儀用放大器的輸出信號送入∑△調制器進行模/數(shù)轉換，∑△調制器是基于過采樣的一位編碼技術，輸出反映了輸入信號幅度的一位編碼數(shù)據流。低通數(shù)字濾波器由3個可編程的5階sin型濾波器組成，∑△調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為串行時鐘輸入引腳;SDI為串行數(shù)據輸入引腳，共16位，其中，1位讀寫控制，7位地址和8位數(shù)據。在時鐘上升沿期間，所有數(shù)據被采樣和在第16個時鐘上升沿時被寫入寄存器中。SDO為串行數(shù)據輸出引腳，在8～15個時鐘下降沿，SDO引腳讀數(shù)據。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，低電平維持16個時鐘周期;DRDYB為模數(shù)轉換結束引腳，表示芯片內部的數(shù)據已準備好可以讀取，低電平有效，通?？捎米鰿PU的中斷信號或狀態(tài)查詢信號;ALARMB為報警引腳，ADS1293有一個自我診斷報警系統(tǒng)，用于診斷在ECG應用中可能發(fā)生的異常情況，這些異常情況主要包括電極脫落、同步錯誤、低電警告和3個通道工作異常等，一旦有異常情況發(fā)生就報告給錯誤標志，并在ARLAM引腳上顯示。
1.2 MSP430單片機控制電路
選用TI公司的超低功耗單片機MSP430F5529作為主控制器，其具有豐富的片內外設，各個模塊運行完全獨立，包括定時器、輸入/輸出端口、看門狗和UART等均可在主CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行。在所有模塊都處于活動狀態(tài)時，電流的典型值為290μA/MHz。在待機模式下，電流的典型值僅為0.18μA，從待機到喚醒的響應時間為3.5μs。MSP430F5529含有2個通用串行通信接口(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ADS1293進行控制和數(shù)據的傳輸，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)據傳輸?shù)奖銛y式顯示設備或計算機，圖3給出了MSP430F5529的接口電路。
圖3 MSP430單片機接口電路
2 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件主要包括：(1)對ADS1293進行控制，完成心電信號的模/數(shù)轉換，并通過SPI接口讀取數(shù)據。(2)通過USB接口將數(shù)據傳輸?shù)斤@示設備實時顯示，程序流程如圖4所示。
圖4 程序流程圖
首先，對單片機進行初始化，配置與ADS1293通信的SPI接口和與顯示設備相連的USB接口。再通過設置相關的寄存器來實現(xiàn)對ADS1293的初始化，包括儀用放大器和∑△調節(jié)器的工作頻率設定、可編程濾波器的參數(shù)設置以及各報警寄存器的設置等。然后啟動ADS1293，通過查詢DRDYB引腳的狀態(tài)來判斷ADS1293模/數(shù)轉換是否完成和數(shù)據是否準備好，若未準備好，繼續(xù)查詢。否則，產生一個中斷給單片機MSP430F5529再通過SPI接口讀取ADS1293寄存器中的數(shù)據，通過USB接口發(fā)送給顯示設備。
3 結束語
本文提出了一種低功耗、便攜式心電信號采集系統(tǒng)的設計方法。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內部集成的右腿驅動電路、威爾遜終端、電極脫落檢測等ECG應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單個通道功耗僅為0.3 mW，且具有靈活的斷電和待機模式，可延長便攜式設備的電池使用壽命。綜上所述，系統(tǒng)具有功耗低、體積小等優(yōu)點，具有廣泛的應用前景。
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