移动式生物信号检测装置方案

1、移动式生物信号检测装置设计方案基于MSP430单片机的生物信号检测系统学 校：成都信息工程学院队伍名称：EDA 零组参赛队员：余海 曾锐 王发修指导教师：姚振东摘 要本生物信号检测系统以超低功耗的MSP430单片机为中央处理单元，以MCS-51单片机作为上位机，将收到从机的信息加以显示与判断。通过LCD液晶屏显示所测数据的波形，特征。硬件电路部分主要采用对微弱的生物电讯号，如 心电，呼吸值，体温，血压等信号进行放大，滤波，去干扰，采集等。做到滤谐波，工频信号，做到较精确的测到所需要的信息的一个系统。所选用的电源是可工作长时间的圆形锂电池。上位机主要是一个数据的分析和显示，主要硬件电路为数据接受

2、无线模块和液晶显示电路。软件系统部分主要包括以下几步份：1， 数据采集机：（即下位机）微弱电信号经放大·滤波·去干扰后的ADC转换，MSP430对ADC过来的数据的采集；2， 数据存储（下位机单片机内部RAM，暂存）3， 数据转存/发射（FSK调制的无线收发模块）4， 数据处理机：（即上位机）数据接收和处理，按存储的进栈先后，读出数据，对数据处理并做显示以及基本的医学分析。本系统利用开发工具Keil 51和IAR-MSP430进行编程开发，通过串口和ISP方式烧录程序。这些工具的使用，使得软件的设计编程和调试工作得到了保证。关键字：移动式，生物电信号，检测系统，数据转存，上

3、位机，下位机，LCD显示。Abstract The biological signal detection system to ultra-low power MSP430 MCU to the central processing unit to MCS-51 SCM as a PC, will receive the information from the machine to be displayed with the judgement. Through the LCD screen shows the measured data waveform, characteristics.

4、 Some of the major hardware used on the weak telecommunications, biotechnology, such as cardiac, respiratory value, body temperature, blood pressure, such as signal amplification, filtering, to interference, such as acquisition. Harmonic filters do, the frequency signals so that more accurate measur

5、ement to the information needed by a system. The power of choice is a long time to work the radio lithium batteries. PC is primarily a data analysis and show that the major hardware for wireless data receiving and LCD module circuit. Some of the major software systems, including the following steps:

6、 1, data acquisition machine: (that is, under the crew) to enlarge the weak signal filtering ADC to interfere with the conversion, MSP430 the ADC from the collection of data; 2, data storage (SCM crew internal RAM, temporary) 3, transfer of data / launch (FSK modulation radio transceiver module) 4,

7、data processor: (PC) data reception and processing, according to stack one after another into the store, Duchushuoju, data processing and do shows and basic medical analysis. The system of development tools Keil 51 and IAR-MSP430 development program, through the serial port and ISP way replication p

8、rocedures. The use of these tools, the software makes programming and debugging the design work was guaranteed. Keyword: mobile, biological signals, detection systems, data to the depositors, PC, the next crew, LCD display目 录摘 要2第一章 前言3第二章 设计任务7第三章 总体方案设计与论证73.1 设计思想73.2 单元模块电路比较73.2.1输入电路73.2.1.1 心

9、电信号的输入73.2.1.2 呼吸信号的输入.83.2.1.3 血压信号的检测输入.83.2.2 信号通道选择.83.2.3 前置放大电路83.2.4 滤波电路.93.2.5 工频陷波模块103.2.6 隔离电路.113.2.7 主控器件的选择123.2.8 ADC芯片的选择123.2.9 数据转存选择123.2.10 显示于存储.133.2.11时钟模块143.2.12 电源模块.13第四章 各路信号的分析.134.1心电信号分析.134.2 呼吸信号分析134.3 血压信号分析.14第五章 硬件电路设计145.1整体硬件电路设计框图155.2硬件设计原理图16第六章 软件设计176.1 系

10、统软件设计总体结构176.2 测试原理及实现186.2.1 MSP430数据采集协议. .186.2.2 发射与接收协议186.2.3 FFT数字滤波.18第七章 开发工具217.1 开发工具21参考文献21第一章:前言心脏是人体血液循环系统中的重要器官，依靠它的节律性搏动，血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动，使生命得以维持。它的活动正常与否直接关系到人的生命安全。人们不能凭着直观判断心脏健康与否，而是需要精确的仪器加以测量，通过对测得的心电波进行分析比较，最后做出诊断。心电图典型波形如下图所示：心脏的生理功能与心电图存在着密切的有机联系，心脏生理功能失常许多可以从心电图中反映出来，这就是心

11、电图为什么能得到广泛应用的原因，主要应用有：1 分析与鉴别各种心率失常。2 一部分冠状循环功能障碍或急性所引起的心肌病变。3 判断心脏药物治疗或其他疾病的药物治疗对心脏功能的影响。4 指示心脏房室肥大情况，从而协助各种心脏疾病的诊断。在国内外，关于心电图机的发展都经过了一段相当长的时间，目前对于心电图机的发展都经过了一段相当长的时间，目前对于心电图机的研制已经达到了一个相当高的水平。尽管这样，在心电信号处理的方法和自动分析手段都存在着很多缺点，心电特征波形分析定位结果并不尽如人意，但任然有着较好得发展前景。此外，人的体温，呼吸 ，血氧饱和度，也是检测人身体健康与否的重要参数，所以，血氧检测仪器

12、和呼吸检测仪器也是现在追求高生活质量的人们的迫切希望得以发展的设备与技术！第二章：设计任务（一） 图1 简易频率计示意图 （二）、要求 第三章：总体方案设计与论证3.1 设计思想 利用超低功耗的MSP430单片机做采集的下位机，实现对心率·体温·呼吸，血压等信号通过ADC转换过来的数据进行采集，通过无线发射模块转存，利用8位的STC89C52对存储的数据进行处理，显示波形，对数据进行分析，根据所测数据作一些基本的医学生理判断,如心跳是否过快，心率是否不齐，呼吸是否急促，血压是否过高等等！3.2单元模块电路比较3.2.1 输入电路3.2.1.1 心电信号的输入 方案一：采用6

13、4个铜质单电极点，表面涂上电解液，以8*8的形式均匀排布在5*5cm的柔性朔料片上，电极点直径2.5mm极间距为5mm，标测时的固定方式为用手将电极片压在心外膜上而不是将电极片缝到心外膜上！但是用以个5*5cm的膜片，不便于安装，而且增加了电极间的相互磁场干扰，而且做工要求相当高。 方案二：采用心音压电薄膜传感器，压电复合材料薄膜由压电陶瓷和聚合物复合而成，既具有压电陶瓷的强压电效应，又具有有机材料的柔韧性，阻抗易于空气，水，皮肤匹配。该传感器是一种高性能低成本的振动传感器，具有高灵敏度，频率响应范围宽，抗过载和强冲击能力强，抗干扰性好，容易操作。并且低频效应好，但是不能对心率的实时变化进行检

14、测，所以不与采用！但是可以用来单独做心率的测量。 方案三：就是用两金属片（一般选铜片）作为电极的正负极，在电极上涂上对人体无毒害的电解液， 作为基本的输入信号的提起，这个方式 比较简单，容易操作，价格成本低，但是实际操作中会出现由于电解液的挥发和流失，造成测量出现误差 ，甚至错误。而且本身用得市场上金属片的电导性就良莠不齐，也会给测量带来很大的误差！但是通过改进金属片的材质和电解液的成分，可以使这些误差减小！ 比较上述三个方案，我们觉得采用第三种方案通过改进后是能得到比较准确而且操作相对与第一种要简单的效果的方案，用检测电频的方式测，能较准确的采集到心律变化，得到心率图。所以 我们暂定用此方法

15、。3.2.1.2 呼吸信号的输入 方案一：利用呼吸阻抗法原理。它借助测量心电的胸部监护电极，采用高频激励脉冲使信号调制到其之上，然后对信号进行解调，放大，滤波，得到稳定的·清晰的呼吸曲线。此种方法利用高频载波的方式实现信号的检测，能有效的实现呼吸信号的检测，而且是通过调幅方式将呼吸信号调制在62.5KHZ上，与心电信号的电频信号分开了。方案二：呼吸测量采用电桥检测电路，电桥的一臂接入热敏电阻作为温度传感器，该传感器置于鼻孔下端，呼吸过程中的呼吸气温的变化T通过温度传感器使电桥失衡，并使输出电压产生V的变化，后经差动放大器放大100倍以上，最大输出电压可至3V。 这种方法测试电路电路简

16、单，达到的电路要求也不是很高，而且器件容易买到，但是这个也又个缺点：就是性能随热敏电阻的参数波动性大，而且一般的热敏电阻的性能都一般。 通过比较，用高频调制的方法测呼吸信号，相对第二种能较精确的实现对呼吸信号的检测，且能通过得到的数据在LCD显示屏上显示其波形。电路如下：3.2.1.3 血氧饱和度的测法 方案一：利用血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白对不同波长的光的吸收系数不同，将含动脉血管的部位(手指等)放在发光管和一个光电管之间，发光元件发出两种波长的光信号，通过手指的不同吸收，由此引起光电管输出的电信号强度随血液的脉动而周期性改变，再经过分离、滤波、放大、A/D转换成数字量，显示相对应的血

17、氧饱和度值 方案二：原理一样 ，就是直接使用血氧探头，这样的设备虽然方便和精确，但是一个价格太高，二是一个完整模块不是我们作为学生学习的好方法。 所以； 综合两者 ，我们选择用第一种方式，用光电管测接收通过手指的光强度。3.2.2 信号通道选择 由于采集信号之间存在着干扰，不利于后级处理，因为采集不是实时进行，每天只采集数次，其余时间都处于低功耗模式。所以我们对3路信号进行不同时段的采集，模拟开关连通采集哪一路信号。3.2.3 前置放大电路 由于整个系统是检测的微弱的生物信号，所以相比与生物信号，其他杂质信号就要强得多，尤其是共模信号的干扰是最严重的，所以前置放大电路采用以INA333为电路主

18、元件的差动放大电路，抑制共模输入的干扰！该电路重要功能如下：1. 差分输入，同相输入可以提高输入阻抗，提高共模抑制比。2. 前端无源高通网络，该电路起到了隔直的作用。3. 低功耗精密运放OPA333用于共模驱动和右腿驱动。4. 采用对称的前置电路，可以抑制共模干扰，同时采用共模驱动和右腿驱动电路，都抑制了工频干扰进入后续电路。电路图如下：（在做PCB板的时候注意输入信号端用地线隔离）3.2.4 全波整流呼吸信号是经过调幅调制了的，我们在前置放大后要对呼吸信号进行解调，在次我们也需要用到电子模拟开关，全波整流电路如下：3.2.4滤波电路 采用一阶无源高通滤波器和三阶巴特沃思低通滤波器作为本系统的

19、滤波电路，一阶无源高通滤波器的截至频率为0.05Hz,三阶巴特沃思滤波器的截至频率为100Hz，放大倍数为1倍。电路图如下：3.2.5 工频陷波模块 因为我们所在的空间无所不存在着50HZ的工频信号，它在我们所需要的有用信号频率范围之内。方案一：我们采用双网络作为去除50Hz工频干扰的电路。优点为：稳定性好，频带电路图如下：方案二：采用电感，电子，电容等无源器件搭成LC陷波电路优点是：带宽为一个点，陷波特性好。缺点是难于调试，且稳定性不高。电路图为：综合考虑我们采用了方案一。3.2.6 隔离电路 方案一：用分立的光电对管，连接主运放与前级电路，达到光电隔离与主放大一起。优点是：价格低廉，在市场

20、上很容易买到，而且电路简单；缺点是：电路的隔离作用效果不明显，而且会带来其他干扰信号，； 方案二：用专用的隔离放大芯片，如ISO100，ISO124, INA133U，等，这些芯片内部都集成了光电对管，集成电路性能本来就比分立元件好，而且这些芯片都是高精度的低功耗的，所以能很好的起到光电耦合的效果。但价格太高。综合考虑我们决定使用方案一电路图如下： .3.2.7 主控器件的选择 方案一：基于可编程器件，如FPGA，DSP， CPLD等实现对生物信号的采集与处理，能实现高速，大量的处理与采集信号 方案二：基于所学的最基本的MCS-51单片机实现对信号的采集与处理，但是由于速度慢和功耗高，内存小的

21、缺点，所以基本不与采用在采集系统 方案三：由于题目要求需要能实现一天不间断的检测，所以考虑低功耗处理器，跟过搜索资料与比对，发现TI公司的MSP430系列单片机能实现超低功耗的要求，而且速度还是能基本能跟上采集的要求， 综合上述，我们最终选择用MSP430单片机做下位机采集数据，用51系列的STC89C52做上位机处理数据，显示与转存数据。3.2.8 ADC芯片数据采集选择 方案一：由于选择的主控制处理器是超低功耗的MSP430，而它本身又带又12 bits的AD，所以这里考虑用MSP430的片内AD 方案二：可以采用使用外部AD，如12位的ADS7818P，也是高速低功耗的芯片 ，能达到全系

22、统低功耗的大要求。 对于这个系统 ，由于采集与处理是分开的，所以就用片内AD能达到要求，所以选择方案一。3.2.9数据转存选择方案一：USB转存。通过专用芯片如CH375，实现下位机与外部的USB设备或者电脑终端连接，实现数据的转存，这样的转存方式能快速大量的处理 数据，但是不能实时显示信号特征。 方案二：蓝牙模块。如RF2968是为低成本的蓝牙应用而设计的单片收发集成电路，RF频率范围24002500MHz，RF信道79个，步1MHz，数据速率1MHz，频偏140175kHz，输出功率4dBm，接收灵敏度-85dBm，电源电压3V，发射消耗电流59mA，接收电流消耗49mA，休眠模式电流消耗

23、250A。通过这样的模块能实现数据短距离传输，而且是低功耗的， 方案三：NRF401无线模块。采用NRF401收发模块实现对数据的转存，这模块实现的是远距离传输数据， 通过比较各自的优点及考虑现实的情况，我们暂时选择NRF401模块（由于学校提供）原理图如下：3.2.10显示与存储 由于需要一天不间断的处理数据，必然数据量大，而且需要能实现掉电保存，所以选择E2PROM存储器，而且要实现波形的显示与数据分析结果的显示，所以采用点阵式液晶3.2.11时钟模块对数据进行定时采点，pcf8563是低功耗，精确的外部时钟芯片，能准确的设置时间点对数据进行采集，客服了MSP430内部时钟因长时工作带来的

24、定时误差。原理图如下：3.2.11 电源模块 MSP430需要3.3V直流供电，而整个系统的某些器件需要5V，综合分析，我们采用整个系统5V供电，通过LM117稳压为MSP430提供3.3V直流电源。原理图如下： 第四章：各路信号的分析4.1 心电信号分析人体心电信号十分微弱，一般在几个毫伏到几百毫伏之间，检测心电信号时，存在着强大的干扰，主要有工频信号和电极与人体皮肤之间的极化现象。因此检测的信号要经过选频滤波，工频陷波，放大要采用输入阻抗大，共模抑制比高的放大器。经过放大和A/D转换后送入MSP430处理。4.2 呼吸信号分析利用呼吸阻抗法原理，通过测量心电得胸部监护电极，采用采用高频激励

25、脉冲使信号调制在上面，在对调制信号进行解调，放大滤波，就可以获得清晰稳定得呼吸曲线。设Rb为人体等效电阻，按生物阻抗的频散原理，在62.5KHZ的时候人体等效为纯电阻，由于呼吸心腔扩张使得Rb随呼吸频率变化变化范围在0.1到0.3，相对与62.5KHZ的方波信号来说是慢信号，在每个Rb变化周期内随着Rb的变化引起的等效电路时间常数的微弱变化使得B1和B2点的电位随Rb的变化而变化，并且两者的电位差绝对值Ub(t)与Rb成正比；这样相当与呼吸信号Ub（t）调制在62.5KHZ的载波上，为调幅方式。从而通过测量Ub(t)，就能测处呼吸信号。 4.3 血氧饱和度分析 测血氧饱和度的工作原理基于动脉搏

26、动期间光吸收量的变化。分别位于可见红光光谱(660纳米)和红外光谱(940纳米)的两个光源交替照射被测试区(一般为指尖或耳垂)。在这些脉动期间所吸收的光量与血液中的氧含量有关。MCU计算所吸收的这两种光谱的比率，并将结果与存在存储器里的饱和度数值表进行比较，从而得出血氧饱和度。第五章：硬件电路设计5.1整体硬件电路设计框图5.2硬件设计原理图：上位机：下位机： 第六章：软件设计6.1系统软件总体结构 6.2 测试原理及实现 6.2.1 MSP430数据采集协议1. 检测信号，在处理信号时候，依次选通一路ADC通道，2 判断AD是否有信号输出，若无选择下一路通道，上一通道置0；3 若有信号输出，

27、MSP430F247读取数据并对其进行FFT数字滤波，暂时将滤波后的数据存于片内RAM（4K），等待发射模块读出并发射 4，通道关，开下一通道，重复2，35 循环 6.2.2 发射与接收协议 发射：1 发射模块等待，当上位机发送来准备接收指令，开始发射； 2 发送发射命令； 3 从MSP430F247片内RAM读出数据； 4 发射读出的信息；5 等待发射完成；（接收到上位机接收完毕的指令）6 重复1.2.3.4.5； 接收：1 发射准备接收信息指令； 2 读出下位机开始发送应答指令 3 开始接收，转存于外部E2PROM 4 等待接收完毕 ，当定时器定时到2ms时候再未收到信息，即判断为发送完毕

28、 5 向下位机发送接收完毕指令；6.2.3 FFT数字滤波 在远程心电监护系统中，心电信号采集器是实现心电信号的现场采集、存储和传输的重要终端设备。对采集器的基本要求之一是：及时对采集到的心电信号进行滤波和压缩等预处理，以减少存储器占用量和数据远程传输到头端服务器的开销。为降低成本，这些任务一般采用单片机完成。然而，限于单片机的资源、运算能力和运行速度，许多压缩算法，如周期压缩法、小波变换压缩法和神经网络方法等无法使用，一些缺乏快速算法的频域变换法也很难达到实用的程度。 通过了解FFT(快速傅立叶变换)的算法结构和心电信号的特点发现，采用分段FFT，保留分析心电波形需要的谐波成分，巧妙地组织单

29、片机的片内RAM资源，可使数据运算量和RAM开销大大减少，能实现数据滤波和压缩，且能达到实时采集与处理所需的运算速度。设对心电信号的采样率为500次秒，数据精度为12位。1 数据分段算法设采集到的原始数据存于片外RAM中，将这些数据分为若干段，逐段读入片内进行FFT。各段的变换结果及时送回片外RAM中保存。按照FFT的要求，段中包含的数据个数必须为2N，N为FFT变换的层数。考虑到MSP430F247片内RAM为4K字，此处取N=9或N10，即段中数据为512或1024，以保证RAM够用。显然，段头和段尾的数据大小相等时，以该段作为一个周期而无限重复的波形将无跳跃点。经过“FFT变换到频域”“

30、丢弃高频成分”“IFFT(快速傅立叶反变换，在头端PC上进行)”一系列操作而重建的时域波形，段与段之间的结合点将是连续的。但实际上，按上述分段几乎不能做到段头和段尾的数据大小相等。取两种段长的目的就是提供两种可能的选择选择首尾数据之差较小的段作FFT。尽管如此，段首尾数据之差仍存在，经处理、复原后的波形在段的结合部位仍将有间断点。而采用加窗、延拓等办法在单片机上又难以实现。解决问题的策略为：分段时，各段间的数据首、尾各覆盖10个数据。头端PC在完成重建后，应将首、尾各5个数据丢弃。2 时域数据的整序与加载分段后，将该段加载到MSP430F247的RAM中，以实施FFT。原始数据以采集的时间先后

31、顺序存放，加载时则应“整序”，即改变数据的先后顺序，以保证变换后的频域数据为正序。设Rs为指向片外RAM的、待加载的段内数据的偏移地址，Rs=O2N-1；Rd为指向片内RAM的、待写入数据的偏移地址，如图2。将Rs按N位二进制逐位高低互换就得到只Rdo例如，当N=9时，若Rs为B，则Rd为B。为加快计算速度，将N=9时及，的值制表存于FLASHROM，供整序时查询。当N=10时，取Rs的B0B9位查表获得Rd，再将Rs的B10位传送到Rd，的B15位，最后将Rd循环左移1位。 FFT变换是复数运算。在将原始数据加载到片内RAM的同时，应把实数转换为复数，即令虚部为0。于是，一个原始数据加载到R

32、AM中要占用2个字。复数的存储格式为：实部字存于低地址，虚部字存于相邻的高地址。现在考察RAM需要量。N=9时，段长为512个数据，加载到RAM中要占用512×21024字；N10时，段长为1024个数据，全部加载将占用1024×2=2048字，超过片内RAM的可用容量。此时，将数据分为两部分，先将第一部分加载到RAM作FFT，得到中间结果，再将第二部分加载、变换，最后相加合成。3 FFT变换及低通滤波FFT将时域序列i，i02N变换为频域序列Fi，i02N。为了实现低通滤波，仅须保留Fi中100Hz的频率分量。当N=9时，应保留Fi中的前100个低频分量；当N10时，则应保留Fi中的前200个低频分量。这也同时减少了计算量，加快了计算速度；存放周转量所需的片内RAM也能得到保证。    复数乘可利用MSP430F247的内积功能实现。例如，要计算i×Wj，设i×Wj(ajb)×(cjd)=ac+(-bd)j(bc+ad)。显然，结果的实部和虚部均为内积形式，只是设置操作数时须注意符号和排列顺序。上述方法使计算量显著减少。以512点FFT为例，计算出全部频率分量需要512