基于MSP430的心电采集系统

    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Altera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，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，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。

    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INA128，增益，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。

    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，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，进行采样处理。
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2 MSP430单片机系统设计
    MSP430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MSP430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。

    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
    MSP430单片机系统设计硬件框图如图6所示。

    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(Serial Peripheral Interface)协议。
    由于计算机串口电平转化，采用Max232N进行设计，电路图如图7所示。

    MAX232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Protel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。

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    MSP430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。

    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Matlab仿真现显示的波形如图9所示。

    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LabVIEW上位机设计
    设计了基于LabVIEW的上位机界面，LabVIEW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LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW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。

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LabVIEW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。