基于MSP430的便携式低功耗心电检测仪new

1、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

2、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、

3、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

4、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.

5、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Rx。它包括人体电阻(R)、皮肤电阻及电极与皮肤的接触电阻(R0)，即Rx=R+R0 (R0R)。R与人体组织液离子浓度有

6、关，R0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，

7、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

8、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

9、OPA335低功耗运算放大器。OPA335特性：1.LOW OFFSET VOLTAGE: 5V max2.ZERO DRIFT: 0.05V / max3.QUIESCENT CURRENT: 285A4.SINGLE-SUPPLY OPERATION5.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/AgC

10、I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: 50V max2.LOW DRIFT: 0.5V / max3.LOW INPUT BIAS CURRENT: 5nA max4.HIGH CM

11、R: 110dB min5.INPUTS PROTECTED TO士40V6.WIDE SUPPLY RANGE:士1.35 to士18V7.LOW QUIESCENT CURRENT: 350AINA118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)=AvR1R2C1C2s2+1R1C1+1R2C1+1-AvR2C2

12、S+1R1R2C1C2.（1）A(s)=H0w02s2+w0s+w02（2）式（1）、（2）比较计算可得R1=38K、R2=8K、C1=82nF、C2=100nF。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)=Av1+3-Av1sRC+(1sRC)2高通滤波器电路50Hz工

13、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R1=R2=3.2K=2R3; C1=C2=12C3=1F; 其传递函数为：A(s)=1+(sCR）21+22-AvsCR+(sCR)2中心频率W0=1RC， 阻带宽度：Bw=WH-WL=2(2-AV)W0， 品质因数：Q=12(A-Av)， 其中Av为放大增益。如图：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，

14、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MSP430

15、F149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

16、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

17、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

18、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。12MHzCH375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

19、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。

20、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.MSP43

21、0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

22、. 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

23、=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:2013.08.31mCmdParam.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=CH375FileModify();/修改当前文件日