基于MSP430的心電采集系統(tǒng)

摘要 采用儀表放大器和MSP430單片機設計開發(fā)了一種簡單有效的心電采集測量系統(tǒng)。通過標準2導聯(lián)，把生物電信號傳送到放大器，由于生物電信號比較微弱，信號還需要經過二次放大。利用50 Hz陷波器消除工頻干擾；使用單片機采集數據；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。最后為試驗系統(tǒng)編寫了上位機程序，該系統(tǒng)可以為醫(yī)生提供病人的遠程參考數據。
關鍵詞 MSP430；單片機；數據采集；串口；上位機

    隨著微電子技術與工藝的發(fā)展，各種電子產品逐漸趨于小型化和集成化，而功能更強大，這使得醫(yī)用設備家庭化成為可能。隨著我國城市人口老齡化、物質生活的改善，心血管疾病不斷增加，人們對這一類疾病的預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，用Altera公司的CPLD做為控制器，處理心電和脈搏信號。作為數字前端的心電和脈搏信號，經過由放大器組成的模擬電路，放大、濾波和陷波處理，經控制系統(tǒng)，通過串口發(fā)送到個人計算機，同時設有報警裝置。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計
    采用標準II導聯(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，進行一次放大。從人體皮膚測得的心電信號較微弱，而且經常疊加著各種干擾和噪聲，最常見的就是電網的工頻干擾。因此信號要進行二次放大并且進行50 Hz陷波處理。接下來的數據一路送往報警檢測電路，另一路送往單片機處理。

    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過二次放大后，所得信號可達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網絡和運放組成；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成的陷波器，如圖2所示。

    U1信號加入進帶通濾波器，使用雙蹤示波器觀察U1和U2波形，調節(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進入加法器，微調變阻器使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，可以通過數字濾波進行消除。

    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，進行采樣處理。

2 MSP430單片機系統(tǒng)設計
    MSP430系列單片機是TI公司1996年推出的一個優(yōu)秀的SOC型混合微處理器產品系列，16位的高效的微處理器系統(tǒng)，豐富強大的外圍電路資源，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用的一款單片機設計采用MSP430的2系列單片機。對心電信號進行A／D采樣。然后經模擬串口發(fā)送到個人計算機。
2．1 Sigma-delta模塊
    2系列單片機含有獨立的16位ADC，并且包含基準源，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用，SD16模塊部分框圖如圖5所示，它采用Sigma-delta調制技術。

    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通道接到內部傳感器，通道7短路，用于0 V校準。其實ADC模塊只是引出數量有限的通道，原因是管腳受限。
2．2 單片機系統(tǒng)設計
    MSP430單片機系統(tǒng)設計硬件框圖如圖6所示。

    數據采集部分，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。采樣數據可以通過模擬串口發(fā)送到上位機PC，也可以通過CPLD至液晶屏實時顯示波形。
2．3 數據采集和模擬串口發(fā)送軟件設計
    有單片機采集的數據經過串口傳送到計算機，使用SPI(Serial Peripheral Interface)協(xié)議。
    由于計算機串口電平轉化，采用Max232N進行設計，電路圖如圖7所示。

    MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS～232標準串口設計的單電源電平轉換芯片由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)數據轉換部分，有兩個數據通道。第一數據通道包括13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT)；第二數據通道包括8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)。TTL／CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL／CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。
    MSP430單片機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系，實現(xiàn)數據采集和串口發(fā)送。單片機程序流程圖，如圖8所示。

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

3 實驗結果和PCB設計
    數據通過串口發(fā)送到計算機，沒有數字濾波之前使用Matlab仿真現(xiàn)顯示的波形如圖9所示。

    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?；旌想娐?，PCB插卡的設計和調試較重要，數字地和模擬地應分開且單點連接。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上位機設計
    設計了基于LabVIEW的上位機界面，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與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW使用圖形化編輯的G語言編寫程序，產生的程序是框圖形式。

    圖10是上位機程序界面，可以實現(xiàn)心率測量，數據區(qū)域放大、拖動、存儲和回放，既可以自動測量，也可以設定門限手動測量。

5 結束語
    設計時考慮到了成本和單片機的資源需求，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行選擇。設計采用傳統(tǒng)的模擬電路和最新的數字器件，用單片機自帶的模數轉換模塊，對信號進行采集，定時器產生波特率中斷模擬串口，通過串口發(fā)送到計算機，實現(xiàn)模擬信號的數字化處理，最后使用LabVIEW編寫上位機程序。不足之處是，遠程傳輸問題考慮得不夠完備，應當改進。