基于MSP430的心电采集系统设计
基于MSP430的心电采集系统设计
采用仪表放大器和单片机设计开发了一种简单有效的心电采集测量系统。通过标准2导联，把生物电信号传送到放大器，由于生物电信号比较微弱心电信号采集电路设计，信号还需要经过二次放大。利用50 Hz陷波器消除工频干扰;使用单片机采集数据;采用单端模式，测量心电信号测量范围0~600 mV.可以在12864液晶屏上显示，也可通过串口传送到个人计算机。最后为试验系统编写了上位机程序，该系统可以为医生提供病人的远程参考数据。
随着微电子技术与工艺的发展，各种电子产品逐渐趋于小型化和集成化，而功能更强大，这使得医用设备家庭化成为可能。随着我国城市人口老龄化、物质生活的改善，心血管疾病不断增加，人们对这一类疾病的预防和诊断需求也在增长。文中采用TI公司的SOc型混合微处理器单片机，用公司的CPLD做为控制器，处理心电和脉搏信号。作为数字前端的心电和脉搏信号，经过由放大器组成的模拟电路，放大、滤波和陷波处理，经控制系统，通过串口发送到个人计算机，同时设有报警装置。此心电和脉搏测量最小系统以插卡形式给出，通过PCI接口完成对其电源配置和CPLD连接到液晶显示。
1 心电和脉搏处理电路设计
采用标准II导联模式基于MSP430的心电采集系统设计，将电极分别接在人体的左右手腕和左脚腕。具体的连接如图1所示，左右手两路信号连接到易用放大器，左脚接地，进行一次放大。从人体皮肤测得的心电信号较微弱，而且经常叠加着各种干扰和噪声心电信号采集电路设计，最常见的就是电网的工频干扰。因此信号要进行二次放大并且进行50 Hz陷波处理。接下来的数据一路送往报警检测电路，另一路送往单片机处理。
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图1 心电与脉搏处理电路
由于心电信号微弱，仪用放大器输入电阻大，共模抑制比高，增益调节方便，使用易用放大器作为输入级。
放大器件采用增益
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Rg是2脚和8脚之间的电阻值，设计中为滑动变阻器与固定电阻之和，变化范围是220~5220Ω，增益变化范围约为10~228 dB动态范围很大。
心电信号经过放大后仍需要二次放大，其电路采用普通的同相比例放大器经过二次放大后，所得信号可达4~5 V.为消除50 Hz工作频率的影响，采用传统的陷波器，抑制50Hz噪声。
陷波器有两种：一种是使用双由双T网络和运放组成;另一种是由带通滤波气和相加器组成。文中使用的是带通滤波器和相加器构成的陷波器，如图2所示。
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图2 带通滤波器和相加器构成的陷波器
U1信号加入进带通滤波器，使用双踪示波器观察U1和U2波形，调节滑动变阻器使得U2处50 Hz信号最大，带通滤波器中心频率为50 Hz,U1和U2信号等幅度反相位心电信号采集电路设计，信号U2进入加法器，微调变阻器使U3输出接近为零，抑制50 Hz信号，这就完成了50 Hz陷波。由于模拟电路噪声的存在，50 Hz仍然有微弱输出，可以通过数字滤波进行消除。
图3是50 Hz陷波以后示波器观察的心电信号。图4是50 Hz陷波以后示波器观察的脉搏信号。陷波以后的信号一路送往报警电路，一路送往单片机基于MSP430的心电采集系统设计，进行采样处理。
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图3 心电信号
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图4 脉搏信号
2 单片机系统设计
系列单片机是TI公司1996年推出的一个优秀的SOC型混合微处理器产品系列，16位的高效的微处理器系统，丰富强大的外围电路资源，其中也包括很多高性能的模拟电路资源，低功耗成为被广泛应用的一款单片机设计采用的2系列单片机。对心电信号进行A/D采样。然后经模拟串口发送到个人计算机。
2.1 Sigma-delta模块
2系列单片机含有独立的16位ADC,并且包含基准源，可编程序增益放大器以及温度传感器，适合各种高精度测量应用，SD16模块部分框图如图5所示，它采用Sigma-delta调制技术。
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图5 SD16模块部分框图
SD16模块含有独立的控制寄存器，并且有8个独立的差分通道，6通道接到内部传感器，通道7短路，用于0 V校准。其实ADC模块只是引出数量有限的通道，原因是管脚受限。
2.2 单片机系统设计
单片机系统设计硬件框图如图6所示。
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图6 单片机系统设计硬件框图
数据采集部分，使用单端模式，时钟为辅助时钟32.768 kB,2分频以后，过采样率为256 Hz,实际采样率为64 Hz,相对于心电信号和脉搏信号，满足奈奎斯特采样定律。采样数据可以通过模拟串口发送到上位机PC,也可以通过CPLD至液晶屏实时显示波形。
2.3 数据采集和模拟串口发送软件设计
有单片机采集的数据经过串口传送到计算机，使用SPI( )协议。
由于计算机串口电平转化，采用进行设计，电路图如图7所示。
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图7 与串口原理图
芯片是美信公司专门为电脑的RS~232标准串口设计的单电源电平转换芯片由3部分组成，图7是原理图。
(1)供电部分包括电源和地，分别是16脚和15脚，5V电源。
(2)电荷泵电路部分，功能是提供正负12 V电源，供给RS-232串口使用，使用了前6个引脚，1和3脚之间，4和5脚之间使用了极性电容分别为1μF.
(3)数据转换部分，有两个数据通道。第一数据通道包括13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT);第二数据通道包括8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头;DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
单片机低功耗主要靠时钟休眠来实现，中断子程序可以唤醒不同深度的休眠模式。因此，充分利用时中断、休眠和时钟之问的关系，实现数据采集和串口发送。单片机程序流程图，如图8所示。
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图8 单片机程序流程图
使用定时器模拟串口通信协议，产生波特率9 600 bit·s-1.由于是16位A/D,每次传送8位到计算机，分两次传输，先传送高8位，然后传送低8位，采样率为64Hz。
3 实验结果和PCB设计
数据通过串口发送到计算机，没有数字滤波之前使用仿真现显示的波形如图9所示。
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图9 心电波形
与正常电信号相比滤波之后能够反映出心脏的基本工作状况。南于是数模混合电路，PCB插卡的设计和调试较重要，数字地和模拟地应分开且单点连接。CPLD和液晶在试验基板上，插卡只是整个大系统的一小部分。
4 基于上位机设计
设计了基于的上位机界面，是一种图形化程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发，类似于C和BASIC开发环境，但与其他计算机语言的显着区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而使用图形化编辑的G语言编写程序，产生的程序是框图形式。
图10是上位机程序界面，可以实现心率测量，数据区域放大、拖动、存储和回放，既可以自动测量，也可以设定门限手动测量。
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图10 上位机界面
5 结束语
设计时考虑到了成本和单片机的资源需求，测量心电和脉搏是分开的，PCB插卡上有跳线，可以在不同需要时进行选择。设计采用传统的模拟电路和最新的数字器件，用单片机自带的模数转换模块，对信号进行采集，定时器产生波特率中断模拟串口，通过串口发送到计算机，实现模拟信号的数字化处理，最后使用编写上位机程序。不足之处是，远程传输问题考虑得不够完备，应当改进。
