侯惠亮，李國(guó)俠，龐浩，包百鳴

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院 器材科，湖北 武漢 430030

基于MSP430F149單片機(jī)的心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

侯惠亮，李國(guó)俠，龐浩，包百鳴

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院 器材科，湖北 武漢 430030

目的設(shè)計(jì)一種低成本的便攜式心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行采集與存儲(chǔ)。方法對(duì)采集的心電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、電平提升和模數(shù)轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)于Flash存儲(chǔ)器，再通過(guò)液晶顯示器顯示實(shí)時(shí)心電波形。結(jié)果本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集和記錄。結(jié)論本系統(tǒng)對(duì)于臨床和患者應(yīng)用都具有一定的實(shí)用價(jià)值。

心電信號(hào)采集系統(tǒng)；心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)；心電信號(hào)；MSP430F149單片機(jī)

心臟病已成為危害人類(lèi)健康的主要疾病之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上每年平均有幾百萬(wàn)人死于心血管疾病，因此，對(duì)心血管疾病的診斷、治療一直被世界各國(guó)醫(yī)學(xué)界所重視。及時(shí)了解患者心臟病的狀況，對(duì)于適時(shí)治療及預(yù)防心臟病突發(fā)死亡具有十分重要的意義。常規(guī)心電圖可以記錄 6～100個(gè)心動(dòng)周期，歷時(shí)幾秒至 1 min 左右，只能獲取少量心臟狀態(tài)的信息。正常人 24 h 心搏次數(shù)達(dá) 10 萬(wàn)次以上，要在有限的時(shí)間內(nèi)，記錄發(fā)生心率失常的概率是比較低的，尤其是一些陣發(fā)性心率失常，即使病人有自覺(jué)癥狀，但在做常規(guī)心電圖檢查時(shí)也難以捕獲[1]。

傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)雖然能夠有效地減少心臟病患者的死亡率，但不便對(duì)眾多的心臟病患者在日常生活中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。而隨身攜帶的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀由于記錄心電信號(hào)的有限性及昂貴的費(fèi)用，也未能在我國(guó)得到很好的普及[2]。為此，本文研究一種便攜式低成本、可存儲(chǔ)大規(guī)模心電信號(hào)的動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有實(shí)用意義。

1 MSP430F149單片機(jī)簡(jiǎn)介

基于微型化、便攜式和低功耗設(shè)計(jì)的考慮，動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采用 MSP430F149 單片機(jī)作為硬件電路控制、數(shù)據(jù)處理及傳輸?shù)暮诵牟考Ｔ搯纹瑱C(jī)是美國(guó)德州儀器公司推出的 MSP430 系列中功能最強(qiáng)的單片機(jī)，包含的組件有：① 基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊，包括 1 個(gè)數(shù)控振蕩器和 2 個(gè)晶體振蕩器；② 看門(mén)狗定時(shí)器 ；③ 2 個(gè)帶有捕捉 /比較寄存器的 16 位定時(shí)器 ；④ 2 個(gè)具有中斷功能的 8 位并行端口 P1 和 P2 ；⑤ 4 個(gè) 8 位并行端口 P3～P6 ；⑥ 模擬比較器 ；⑦ 10 位 A/ D 轉(zhuǎn)換器 ；⑧ 2 通道串行通信接口 ；⑨ 1 個(gè)硬件乘法器 ；⑩ 60 kB+256B FLASH、2 kB RAM。該單片機(jī)功耗低、體積小、外圍模塊十分豐富，非常適合于設(shè)計(jì)微型化、低功耗產(chǎn)品[3]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

心電信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱生物電信 號(hào)， 幅 值 一 般 在 1 mV 左 右， 頻 率 范 圍 主 要 集 中 在0.05～100 Hz[4]。 本 系 統(tǒng) 由 心 電 電 極、 心 電 信 號(hào) 采 集 電 路、MSP430F149 單片機(jī)、電源管理模塊、外接 Flash 存儲(chǔ)器及液晶顯示模塊和 USB 接口電路組成。其中心電信號(hào)采集電路包括心電信號(hào)的放大、濾波及陷波等，是獲取模擬心電信號(hào)的關(guān)鍵電路。整機(jī)方框圖，見(jiàn)圖1。

圖1 整機(jī)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

心電信號(hào)經(jīng)心電電極從人體獲取后送入前置放大電路進(jìn)行放大處理。在對(duì)各干擾信號(hào)進(jìn)行一定抑制后送入帶通濾波電路濾除心電頻率范圍以外的信號(hào)，再由主放大器進(jìn)一步放大到合適的范圍，經(jīng)陷波器濾除工頻干擾后，即可獲取有效的心電模擬信號(hào)。

3.1 前置放大電路

前置放大電路是心電數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。人體心電信號(hào)十分微弱，噪聲背景強(qiáng)、信號(hào)源阻抗大。因此，前置放大器要具備高輸入阻抗和高共模抑制比、低噪聲、低漂移及合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等特性。本設(shè)計(jì)采用儀表放大器 AD620作為前置放大器，它具有低輸入偏置電流、低噪聲、高精度及低功耗等特性，其增益（G）可調(diào)，由公式 (1)來(lái)確定[5]。

本設(shè)計(jì)電路可通過(guò) U3將 R2、R3上的人體共模信號(hào)檢測(cè)出來(lái)用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線(xiàn)屏蔽層，以消除分布電容，提高輸入阻抗和共模抑制比。U4、R5、R6、C1構(gòu)成的浮地驅(qū)動(dòng)電路可將人體共模信號(hào)倒相放大后用于激勵(lì)人體右腿，從而降低共模電壓，抑制 50 Hz 工頻干擾。U1、U2用于穩(wěn)定輸入信號(hào)和提高輸入阻抗，提高共模抑制比。其電路見(jiàn)圖2。

圖2 前置放大電路圖

3.2 帶通濾波及主放大電路

帶通濾波由雙運(yùn)放集成電路 OP2177 構(gòu)成。OP2177 具有高精度、低偏置、低功耗等特性，可組成各類(lèi)放大和濾波電路。心電信號(hào)的頻帶主要集中在 0.05～100 Hz，將雙運(yùn)放集成電路 OP2177 分別設(shè)計(jì)為二階有源高通和低通濾波電路，從而合成帶通濾波電路。由 U6A、C6、C7、R8、R9構(gòu)成高通濾波器，其截止頻率接近由 U6B、C8、C9、R10、R11構(gòu)成低通濾波器，截止頻率接近。主放大電路由 U7、OP1177、R12和R13構(gòu)成，放大倍數(shù)設(shè)計(jì)接近 100 倍，即 。其電路見(jiàn)圖3。

圖3 帶通濾及主要放大電路圖

3.3 帶阻濾波與電平提升電路

為了濾 除 50 Hz 工頻干擾， 電路中設(shè)計(jì)了帶 阻濾波器。帶阻濾波器的帶寬越窄 ,品質(zhì)因數(shù) Q 越高 ,則濾波器的抑制選擇性就越好。陷波頻率由計(jì)算得到，而Q值由公式?jīng)Q定，陷波的深度由放大器的正向輸入端的電壓決定， 即 電 阻 R14和 R17的 比 值。 選 取 C10＝ C11＝ 33nF、R15＝ 10 kΩ、R16＝ 1 MΩ，則可算得 Q 值 =5，陷波頻率≈ 50 Hz。

經(jīng)放大后的心電信號(hào)有負(fù)電平，而 MSP430F149 的 A/ D 轉(zhuǎn)換器定義的最低轉(zhuǎn)換電壓為 0 V。為了保證 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)不出現(xiàn)負(fù)峰失真，必須把心電信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)電位提升電路，使得心電信號(hào)的電平值都為正值[6]。其電路，見(jiàn)圖 4。

圖4 帶阻濾波與電平提升電路圖

3.4 A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

由于心電信號(hào)的頻率范圍主要集中在 0.05～100 Hz，依據(jù)奈奎斯特采樣定律，采樣頻率選取 200 Hz，采用逐次比較逼近原理進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，從而可將心電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 10位精度的數(shù)字信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模心電信息的存儲(chǔ)，本系統(tǒng)采用 8 個(gè) 45DB321 芯片組成 Data flash 存儲(chǔ)器，最大容量可達(dá) 32MB。單片機(jī)與 45DB321 芯片采用 SPI方式通信，通過(guò)片選 CS0～CS7 分別連接到各 45DB321 的 CS端，時(shí)鐘 SCK 只對(duì)被選中的 45DB321 有效。存儲(chǔ)器電路，見(jiàn)圖 5。圖中只畫(huà)出一片存儲(chǔ)器，各自的 CS 片選信號(hào)由74HC138 譯碼給出[7]。

圖5 存儲(chǔ)器電路連接圖

3.5 USB接口電路

由 于 MSP430F149 單 片 機(jī) 片 內(nèi) 無(wú) 自 帶 的 USB 接 口 功能，而本系統(tǒng)采集到的大規(guī)模心電數(shù)據(jù)需借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析研究，因此 MSP430F149 單片機(jī)需通過(guò)電路設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn) USB 接口功能。本系統(tǒng)采用外接 CH375 芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能，具體電路，見(jiàn)圖 6。從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì) Data flash 存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取的功能[8]。

圖6 USB接口電路圖

3.6 液晶顯示模塊

為了提供人機(jī)界面,增強(qiáng)實(shí)用功能，本系統(tǒng)采用了圖形點(diǎn)陣液晶顯示器顯示心電波形。該液晶顯示器由 192×64點(diǎn)陣組成，可以顯示圖形、數(shù)字和漢字。液晶顯示器供電電壓為 +5 V，液晶顯示器驅(qū)動(dòng)模塊整合在液晶顯示器電路板內(nèi)，使用起來(lái)較為方便[9-10]。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用匯編語(yǔ)言編程，采用模塊化結(jié)構(gòu)。首先進(jìn)行初始化設(shè)置，啟動(dòng)采用定時(shí)器溢出的方式。主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理、結(jié)果顯示模塊等組成，便于修改和維護(hù)。程序流程，見(jiàn)圖7。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

5 結(jié)果與討論

本系統(tǒng)前置放大器選用了儀表放大器 AD620，實(shí)現(xiàn)了低噪聲、低漂移、高輸入阻抗、高共模抑制比。設(shè)計(jì)的心電信號(hào)放大總增益為 980 倍，共模抑制比為 97.9 dB，輸入阻抗為 180 M?，頻 帶寬為 0.05～100 Hz，符合設(shè)計(jì)要求。在電路結(jié)構(gòu)上采用了右腿驅(qū)動(dòng)電路和共模信號(hào)驅(qū)動(dòng)屏蔽線(xiàn)等方法，有效地抑制了 50 Hz工頻干擾。本設(shè)計(jì)的帶阻濾波與電平提升電路使Q 值從 3提高到5，進(jìn)一步濾除了工頻干擾，降低了電路的功耗。由于采用了 MSP430F149 的一個(gè) SPI 串 行 接口及串行 Flash 存 貯 芯 片 AT45DB321，解決了大容量數(shù)據(jù)的存貯，最高可達(dá) 32 MB。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用 USB 接口電路，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì) Data flash 存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取的功能。

這套心電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)體積小、功耗低、成本少，便于攜帶，使用方便。測(cè)量時(shí)可以通過(guò)液晶顯示直觀地查看心電波形，又可以連續(xù)、動(dòng)態(tài)地進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。外置Data flash 存儲(chǔ)器和 USB 接口功能實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)數(shù)據(jù)的大量存貯和便利傳輸，從而使本系統(tǒng)為臨床大規(guī)模心電信號(hào)數(shù)據(jù)的采集及存貯提供了一定的實(shí)用價(jià)值。如果對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)一步完善，增加對(duì)采集的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行臨床分析并給出分析結(jié)果，設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警系統(tǒng)，則本系統(tǒng)或可升級(jí)為心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

[1] 鄧親愷．現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)原理[M]．北京:科學(xué)出版社,2001．

[2] 王亮．基于DSP的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D]．山東大學(xué),2010．

[3] 胡大可．MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]．北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000．

[4] 周玉珍．簡(jiǎn)明心電圖手冊(cè)[M]．北京:人民軍醫(yī)出版社,2002．

[5] Low cost,low power instrumentation amplifier AD620[EB/OL] (2011-01-18)[2013-01-13]．http://eelab．sjtu．edu．cn/dzsy/xp/ AD620．pdf．

[6] 曹細(xì)武,史亞軍,鄧親愷,等．微型心電、呼吸監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制[J]．中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2001,(5):249-252．

[7] 楊琦,劉大茂．一種用于監(jiān)護(hù)儀的心電信號(hào)采集接口調(diào)理方法[J]．福州大學(xué)學(xué)報(bào),2003,(2):156-159．

[8] 孫上鵬．心電信號(hào)采集及無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]．北京:北京交通大學(xué),2009．

[9] 蔣廬俊,楊李萍,陳會(huì),等．基于MSP430FG439超低功耗MCU便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的研究[J]．大眾科技,2010(10):48-50．

[10] 王勝軍,艾育華,鄭峰,等．心電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與遠(yuǎn)程傳輸?shù)姆椒ㄑ芯縖J]．中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2012,27(12):44-46．

Design and Research of Data Collecting System of Electrocardio-signal by MSP430F149 Single Chip

HOU Hui-liang, LI Guo-xia, PANG Hao, BAO Bai-ming
Department of Equipment, Tongji Hospital of Tongji Medical College of Huazhong University of Science & Technology, Wuhan Hubei 430030, China

ObjectiveTo design a portable and low cost system which can collect and store dynamic data of electrocardio-signal for a long time.MethodsThe electrocardio-signal will be magnified, filtered, elevated and converted to digital signals, and then be registered in Flash memories. Also the real-time cardiograph can be displayed by LCD.ResultsThis system can collect and register dynamic data of electrocardio-signal for a long time.ConclusionThis design has practical value for clinic and patients.

collecting system of electrocardio-signal; monitoring system of electrocardio-signal; electrocardio-signal; MSP430F149 single chip

TH772+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.11.010

1674-1633(2013)11-0031-03

2013-04-26

2013-05-22

本文作者：侯惠亮，碩士，主管技師。

作者郵箱：houhl01@163．com