基于msp430的便携式低功耗心电检测仪

基于 MSP430 的便携式低功耗心电检测仪 摘要： 本设计采用仪表放大器 INA118 和 MSP430 单片机设计开发了一种便携、低 功耗、有效的心电采集测量系统。通过标准二导联，把生物电信号通过屏蔽线 传送到仪用放大器，由于心电信号极其微弱，所以采用多级放大。利用 50 Hz 陷波器和右腿驱动电路消除工频干扰。使用 MSP430 单片机采集数据；采集的 心电信号，可以在 LCD12864 液晶屏上显示出清晰的心电图。并可通过 USB 接 口将检测结果写入 U 盘，方便上位机的读取和分析。 该系统具有性能可靠，携带方便，功耗低，体积小，质量轻等特点。 关键字： 低功耗 便携式 心电图 USB MSP430 当今世界，心血管疾病被视为老年人的首要敌人，每年有多位心脏病患者 死于突发性心脏病。为及时了解心脏的状况，ECG 检查已成为最主要的手段之 一。随着现代生活节奏的加快、生活水平和健康意识的提高，人们己经意识到， 随时对心脏进行监护并且能在危急的情况下进行及时的诊治的重要性。如果患 者长期在医院里面进行监护，那将花费高额的监护费用。便携式低功耗的心电 检测方便了心脏病人的日常监护，可以及时的了解到病情。 因此，心电检测仪的便携式、小体积、小重量、大众化、操作简单将成为 心电监护仪的发展方向。其便携的要求导致了其需要是低功耗的。市场上现有 的心电监护仪大多并不适用于家庭护理，本文重点介绍了心电监护仪的电路结 构及其原理。最终完成了一台性能稳定、便于携带、可直接使用 9V 蓄电池供电、 可直接显示心电图的心电仪。 心电图简介： 心电图的检测意义在于对各种心律失常、心室心房肥大、心肌梗死、心律 失常、心肌缺血等病症检查。 正常的人体心电可以反映人体心脏激动电位的变化，是由一系列的、重复 出现的波组成。心电图的优点在于可以从不同平面的不同角度，利用比较简单 的波形、线段对复杂的立体心电向量环，就其投影加以定量和进行时程上的分 析。而心电向量图学在理论上的发展又进一步丰富了心电图学的内容，并使之 更易理解。如下图所示。 心肌活动对应图 动物的机体可以作为导体，将心电电机放置在体表的任何两个非等电部位 均可以得到心电变化的图像，其为双极导联。将一个电极放置在零电位处，把 另外一个电极放置在胸部的不同位置，将两个电极分别与心电记录器相连，可 构成 6 种心电导联这种方法成为单胸极导联。本文采用 心电信号的检测 心电检测的实现： 人体的心电信号为易受干扰、不稳定的低频微弱信号，因此，动态心电图 的心电放大器的设计有很苛刻的要求。 1. 增益 心电信号非常微弱，只有 0.05-5mV，大多信号幅值为 1mV。本设计采用的 MSP430 单片机参考电压为 2.5V，而心电放大器增益的常规设计要求心电在 1mV 时，输出电平达到 1V 以上。所以心电放大器的放大倍数很高，本设计增 益为 1200 倍左右。 2.频率响应 人体心电信号的频谱范围为 0.05-100Hz，而按照美国最新标准要求，动态 心电图频带应不窄于 0.67-40Hz。所以，要求心电放大器在此频率范围内必须 不失真地放大所检测的各种心电信号。本设计采用高通滤波器和低通滤波器压 缩同频带，从而减弱环境噪音的干扰。 3.高输入阻抗 心电放大器输入阻抗取决于人体的阻抗特性、所使用的电极类型和其与人 体的接触界面。心电信号通过心电电极传递到心电放大器，这时，人体组织液 到心脏外壁、人体皮肤及表皮组织、电极、导电膏、屏蔽线形成了信号源的阻 抗。这个信号源阻抗可看作由一组串并联的电阻及电容组成。由于心电信号为 低频信号，所以可以认为这个源阻抗为纯电阻。它包括人体电阻(R)、皮肤电 阻及电极与皮肤的接触电阻()，即=R+ (R)。R 与人体组织液离子浓度 000 有关，与皮肤、电极接触松紧，皮肤的干湿、清洁度及每个人角质层的厚薄 0 等有关。心电信号源具有高阻抗的特点，而心电信号是微弱的，若心电放大器 的输入阻抗不高，那么经过分压后，心电放大器输入端的信号就非常微弱了。 为了防止心电信号损失严重，信号源过负荷使心电信号产生畸变，而且，人体 信号，易受工频、射频等干扰，所以需要提高输入阻抗，以抑制这些干扰。信 号源阻抗一般在数 K 至数十 K 之间，心电放大器的输入阻抗应该比源阻抗高 两个数量级，故一般取 5M 或 10M ，才能不失真地引出心电信号。 4.高共模抑制比 在心电信号采集中，众多干扰都比心电信号大几个数量级，将使心电信号 淹没其中。典型的有：电极与皮肤接触引起的极化电动势，现场很多电气设备 运行时的干扰等共模干扰。共模抑制比(CMRR)是衡量心电放大器对共模干扰抑 制能力的一个重要指标，也是克服温度漂移的重要因素。为了防止心电信号的 输出被淹没在 50Hz、电极极化电压或其他共模干扰电压之下，一般要求 CMMR 应达到 80dB 以上。 5.低噪声、低漂移 在心电放大器中，由于增益较高，噪声和漂移是两个较重要的参数。放大 器运行时的噪音在大增益放大电路中较为明显。要提高信噪比，对放大器的低 噪声性能有严格的要求。设计心电放大器时应尽量选用低噪声元件，以降低噪 声并进一步提高输入阻抗。由于心电放大器的输入端引入了直流电压增益，所 以存在基线漂移现象。电极和皮肤间接触电阻、电极本身电阻的变化和电极电 位等的改变都会增大基线漂移。基线漂移导致低频信号很难被放大，为了正常 测定心电信号，需要限制放大器的漂移。所以放大器应选用低漂移、高输入阻 抗并具有高共模抑制比的集成运放电路。 由于上述心电特点，对动态心电图的心电放大器的设计有如下要求： 1. 增益：1200 倍左右； 2. 频率响应：人体心电信号的频谱范围为 0.05-100Hz； 3. 高输入阻抗：5M10M 输入阻抗； 4. 高共模抑制比： CMMR 应达 80dB 以上； 5. 低噪声、低漂移：放大器应选用低漂移、高输入阻抗并具有高共模抑制 比的集成运放电路。 另外，考虑到监护仪的便携特性，所以在选择运放注意体积和能耗特性， 以便降低整机的功耗和体积。本设计采用 OPA335 低功耗运算放大器。 OPA335 特性： 1.LOW OFFSET VOLTAGE: 5 V max 2.ZERO DRIFT: 0.05 V / max 3.QUIESCENT CURRENT: 285 A 4.SINGLE-SUPPLY OPERATION 5.SINGLE AND DUAL VERSIONS 电极作为心电图记录和监测中的传感器，对动态心电图采集记录心电信号 的质量非常重要。电极应具有贴附力强、透气性好、吸汗、电极导电性能好、 极化电压低的优质电极。由于有文献显示某些电极材料对皮肤的刺激性较大， 导致患者有过敏现象，所以在设计中需要注意该问题。据调查，一般动态心电 监护设备均采用 Ag/AgCI 心电电极，本设计也采用 Ag/AgCI 电极。 前置放大电路设计 在多级放大电路中，每一级放大都会将前一级的信号与噪音一起放大，所 以，第一级放大电路非常关键。生理电信号前置放大器是生理电测量仪器的重 要组成部分，其作用是将微弱信号高保真放大，得到高信噪比的输出信号。虽 然第一级增益有利于降低输出噪声，由于有极化电势的影响，所以不宜采用大 增益。设计采用 INA118 仪用放大器作为前置放大器。增益约为 9 倍。 INA118 特性： 1.LOW OFFSET VOLTAGE: 50 V max 2.LOW DRIFT: 0.5 V / max 3.LOW INPUT BIAS CURRENT: 5nA max 4.HIGH CMR: 110dB min 5.INPUTS PROTECTED TO 士 40V 6.WIDE SUPPLY RANGE:士 1.35 to 士 18V 7.LOW QUIESCENT CURRENT: 350 A INA118 结构如图： INA118 结构图 心电电路要求输入阻抗非常高，因此，为了使整个电路的输入阻抗尽量高， 输出阻抗尽量低，本设计在前级电路中采用跟随器的形式。前端模拟放大电路 如图所示： 前置放大电路 低通滤波器 采用二阶压控电压源低通滤波电路，截止频率 120Hz，其优点是：电路稳定、 增益易于调节。二阶压控电压源低通滤波电路传递函数： A(s)=（1） 1212 2+( 1 11 + 1 21 + 1 22) + 1 1212 A(s)=（2） 02 0 2 + 0 + 2 0 式（1） 、 （2）比较计算可得、。 R1= 38KR2= 8K1= 822= 100 低通滤波电路 高通滤波器 心电信号为多组低频和超低频信号叠加、组合而成的模拟信号，而且极其 微弱，在多级放大过程中，直流放大器常会引起基线漂移，而且，由于极化电 势的存在，放大电路不能采用多级直接耦合。本设计采用 RC 耦合电路。在隔离 直流信号的同时进行 0.05Hz 高通滤波。高通滤波器的特点是，只允许高于截止 频率的信号通过，输入阻抗大，输出阻抗小，带负载能力强。 传递函数： A(s)= 1 + (3 ) 1 + ( 1 ) 2 高通滤波器电路 50Hz 工频陷波 陷波器，即电感电容串联谐振电路。串联谐振的特征是：对谐振的频率信 号阻抗为 0，对其它频率信号阻抗为；把串联谐振电路接在信号通道与地之 间，并谐振于干扰信号频率，干扰信号就被谐振电路短路入地，对其它频率信 号无影响。 该电路为典型的二阶有源带阻滤波器，其中=3.2K=2; 12R3 ; 其传递函数为： 1= 2= 1 23 = 1 A(s)= 1 + (）2 1 + 2（2 ） + ()2 中心频率=， 阻带宽度：， 品质因数： 0 1 = = 2(2 )0 Q=， 其中 Av 为放大增益。如图： 1 2( ) 50Hz 工频陷波电路 在实际实验中发现该电路陷波深度不足，采用两个相同电路连接，可明显 改善滤波效果。 右腿驱动电路 50Hz 工频干扰是心电测量中最重要的干扰，仅靠前置放大器的高共模抑制 比和 50Hz 工频陷波还不足以完全抑制，为了更好的抑制 50Hz 的噪声，需要有 良好的右腿驱动电路以提高电路的抗工频干扰能力，并与人体和放大电路共同 形成闭合回路，保证心电放大电路的正常工作。 通过从威尔逊心电中心端得到的人体共模信号，被反向后放大，驱动至人 体的右腿，可以有效的改善共模抑制，有效的抑制 50Hz 工频干扰，还可以根据 心电信号自适应性调整人体电平，以便于 MSP430 的 ADC 采样。该设计还可使 病人有效地与地隔离，具有很小的泄漏电流，记录的心电图也相当清晰。 右腿驱动电路 MSP430 单片机 MSP430F149 单片机是 MSP430 系列单片机这中功能较强的一款，而且价格 较低，具有较高的性价比。 MSP430F149 特点如下： 1. 低电压范围：1.8V3.6V; 2. 超低功耗：在 2.2V 电压下，4KHz 频率下，电流为 2.5A；在同样电压 下，1MHz 下电流为 160A； 3. 5 种节电模式：等待方式下电流为 0.7A；RAM 保持的节电方式下电流 仅有 0.1A； 4. 从等待方式下唤醒时间：6S（最大值） ； 5. 基本时钟模块配置：高速晶振（最高 8MHz） ；低速晶振（32768Hz） ； DC0; 6. 16 位 RISC 结构，150ns 指令周期； 7. 片中集成了一个 12 位精度 200Kbps，高效通用的 A/D 转换模块，自带 A/D 转换器； 8. 片内有两个 16 位的定时器，且带有多个捕获/比较寄存器； 9. 2KB 的 RAM 和 60KB 的 FLASHROM； 10. 串行在线编程系统。 MSP430 资源框图： MSP430 资源框图 液晶显示 LCD 显示是一种被动的显示，它不发光，只能使用周围环境的光，它显示图 案和字符只需很小的能量，在许多便携式设备或能耗要求低的情况下多采用。 本设计要求低功耗，而显示又是系统的关键。其承接担人机交换的重任，对其 要求也较高，要能够显示心电波形，还必须是低功耗器件等。综合考虑，本设 计采用 LCD12864B 作为显示界面。 显示端接口电路 USB 接口 目前常用的便携式设备的存储接口有两种：一是采用 SD 卡，使用者佩戴一 定时间后，由专业人员从设备中取出，通过读卡器将数据导入电脑并用专用的 软件对数据进行分析比对；二是采用 USB 接口和 windows 文件系统结合，便携 式设备被作为移动存储介质，直接通过 USB 接口与上位机进行通信。 本设计采用单片机对 U 盘的读写方式对 SD 卡进行读写操作。采用的是国产 CH375B，它既可以工作在主机方式也可以工作在设备方式，方便用户采取不同 的方案。CH375 是一个 USB 总线的通用接口芯片，支持 HOST 主机方式和 SLAVE 设备方式。在本地端，CH375 具有 8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中 断输出，可以方便地挂接到单片机等控制器的系统总线上。CH375 的 USB 主机 方式支持各种常用的 USB 全速设备单片机可以通过 CH375 按照相应的 USB 协议 与 USB 设备通讯。 CH375 与 MSP430 接口电路 电源电路 本设计采用 9V 蓄电池作为电源，而运算放大器、仪用放大器等均需用到 +5V、-5V 电源，MSP430F149 需要用到+3.3V 直流电源，所以对 9V 电源进行降 压和稳压处理获得+5V、-5V、+3.3V 直流电源。 电源电路 软件设计 12MHz MSP430F149 程序包括：（1）A/D 转换程序；（2）USB 通信程序，将采集 并转换的数据存储进 U 盘。 （1）心电信号频率范围为 0.05120Hz，为保证采样定理和转换速率，所以 A/D 转换器的采样率设定为 200Hz。采用定时器 TIME1 溢出中断触发转换，每 次转换结果被锁存到 A/D 转换器的数据寄存器，USB 通信子程序调用寄存器中 数据。 （2）在 IAR_EW_MSP430 编译环境下，首先需要把 CH375 文件系统库包含 到项目。CH375 提供了 U 盘的文件级子系统库，所以只需 MSP430 调用即可。 系统开机状态，U 盘插入，此时 CH375 的 ACT#端（即 24 管脚）为低电平，LED 指示灯亮。USB 系统初始化，再对 CH375 的端口中断模式、中断优先级、 CH375 程序库等进行设置，再进行数据的写入。 主程序流程SD 卡写入程序 系统验证 测试时，被测试者贴好心电电极，打开开关，可见清晰的心电图波形。可 见本设计中，信号处理电路有效，且通过 LCD 的实时显示，有很好、稳定的人机交 互。可在检测结束后取下 U 盘（或读卡器+SD 卡） ，在 PC 机上进行检测数据的查看。 LCD12864 心电波形显示（上数字为室温） 总结 随着社会的发展 ，便携式低功耗的医疗器械成为了现在医疗设备的发展方 向。对于未来，无论是日常家用还是医疗救护，整体性的小型化必将是其发展 的方向。便携式设备的开发将使未来的生活充满便利！ 参考文献： 1.郭航远. 简明临床心电图手册M.复旦大学出版社. 2002 2.卢喜烈. 心电图基础理论M. 天津：天津科学技术出版社. 2005. 3.魏小龙. MSP430 系列单片机接口技术及系统设计实例M. 北京：北京 航空航天大学出版社. 2002.11. 4.张晞，王德银，张晨.MSP430 系列单片机实用 C 语言程序设计M.北京： 人民邮电出版社，2005.9. 5.Texas Instruments. MSP430x14x Family Users Guide. PDFM. USA: Texas Instruments. 2006. 6.Texas Instruments. INA118 Users Guide. PDFM. USA: Texas Instruments. 1998. 7.Texas Instruments. OPA335 Users Guide. PDFM. USA: Texas Instruments. 2003. 8.南京沁恒电子有限公司. CH375 应用参考M. 南京：南京沁恒电子有限 公司. 2005 9.王磊. 低功耗便携式心电仪设计与研制D. 哈尔滨：哈尔滨工程大学. 2007. 10. 林家瑞. 微机式医学仪器设计M武昌：华中科技大学出版社. 2004. 11.陈鎏基于 DSP 的心电信号采集和分析系统D. 西安：西北工业大学. 2007. 12.孙上鹏心电信号采集及无线传输系统的设计D. 北京：北京交通大学. 2009. 附录（部分程序）： U 盘部分写入程序： #ifdef EN_DISK_WRITE/子程序库支持写操作 strcpy(char*)mCmdParam.Create.mPathName,“NEWFILE.TXT“ ) ; /新文件名，在根 目录下 i=CH375FileCreate();/新建文件并打开，如果文件已经存在则先删除后再新建 mStopIfError( i); mCmdParam.Write.mSectorCount = SecCount; /写入所有扇区的数据 i=CH375FileWrite( ); /向文件写入数据 mStopIfError( i); mCmdParam.Modify.mFileAttr=Oxff ; /输入新的文件属性，为 OFFH 则不修改 mCmdParam.Modify.mFileTime=Oxffff , /输入新的文件时间，为 OFFFFH 则不修改，使 用新建文件产生的默认时间。 mCmdParam.Modify.mFileDate=MAICE_FILE_DATE(2013,8,31);/输入新的文件日期: 2013.08.31 mCmdParam.Modify.mFileSize=NewSize;/如果原文件较小，那么新的文件长度与原 文件一样长，否则被 RAM 所限 i