楊勇 高川 彭洪

摘 要：為了提高生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，開(kāi)發(fā)了一款基于MSP430單片機(jī)的低功耗心電采集儀，并應(yīng)用于“現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計(jì)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。心電采集儀基于模塊化思想設(shè)計(jì)，學(xué)生可自主設(shè)計(jì)各個(gè)模塊，焊接調(diào)試后接入采集儀觀察結(jié)果。實(shí)踐表明，借助該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣、加深學(xué)生對(duì)生物醫(yī)學(xué)工程相關(guān)知識(shí)的理解與掌握、提高專業(yè)知識(shí)與技能的綜合運(yùn)用能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：心電采集儀；MSP430單片機(jī)；模塊化；設(shè)計(jì)；實(shí)踐創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：TH772 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）19-0032-03

Abstract： In order to improve the comprehensive application ability and practical innovation ability of the students majoring in biomedical engineering， a low power ECG acquisition instrument based on MSP430 microcontroller was developed and applied to the experimental teaching of the course of "Principle and Design of Modern Medical Instrument". The ECG collector is designed based on modularization. Students can design each module on their own. After welding debugging， they can be connected to the observation result of the instrument. Practice shows that with the help of the experimental platform， students can stimulate their interest in experiments， deepen their understanding and mastery of biomedical engineering related knowledge， and improve their comprehensive application ability and practical innovation ability of specialized knowledge and skills.

Keywords： ECG acquisition instrument； MSP430 single chip microcontroller； modularization； design； practice innovation

本文研制了一款基于MSP430單片機(jī)的低功耗心電采集儀并應(yīng)用于“現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計(jì)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該系統(tǒng)將生物傳感器、模擬數(shù)字電路、單片機(jī)、Android應(yīng)用開(kāi)發(fā)與“現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計(jì)”課程的相關(guān)知識(shí)整合應(yīng)用，有效的將理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐訓(xùn)練結(jié)合。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)原理仿真、焊接調(diào)試、連線測(cè)試、制作單元電路和編寫(xiě)程序，提高學(xué)生的動(dòng)手與設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力；學(xué)生以自身為測(cè)試對(duì)象，能更好地激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情，實(shí)驗(yàn)效果更顯著[1-3]。

1 總體設(shè)計(jì)思路

采集儀從對(duì)基本電路的學(xué)習(xí)應(yīng)用與實(shí)踐創(chuàng)新兩個(gè)層面入手，指導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)內(nèi)容應(yīng)用于工程實(shí)踐?；谀K化思想設(shè)計(jì)的心電采集儀有利于學(xué)生分析、掌握單元電路；學(xué)生也可自行設(shè)計(jì)采集儀的單元電路，完成焊接調(diào)試，將其接入本采集儀中完成心電信號(hào)的檢測(cè)；同時(shí)也有利于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展和性能優(yōu)化[4、5]。

采集儀基于超低功耗單片機(jī)MSP430F5529和Android手機(jī)設(shè)計(jì)，分為硬件電路和軟件程序。硬件電路包括：心電信號(hào)調(diào)理電路，數(shù)據(jù)采集電路和電源電路。調(diào)理電路即模擬電路部分，主要完成心電信號(hào)的放大、濾波、電平調(diào)整等；數(shù)據(jù)采集電路即數(shù)字電路部分，主要完成心電信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、心率計(jì)算、無(wú)線通信等；電源模塊提供系統(tǒng)需要的電壓，系統(tǒng)采用電池供電。軟件即手機(jī)APP程序，主要完成心電信號(hào)的顯示和數(shù)據(jù)的保存。心電采集時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)用心電導(dǎo)聯(lián)線與心電電極能夠減小干擾[6-8]。心電采集儀框圖見(jiàn)圖1。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，采集儀的硬件電路主要包括電源管理電路，心電信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路。

2.1 電源管理電路

電源管理電路主要完成電壓的轉(zhuǎn)換和分配：把兩節(jié)18650電池提供的電壓轉(zhuǎn)換為±5V供給心電信號(hào)調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路。電路由LM317完成穩(wěn)壓，提供+5V輸出；由TPS60400完成+5V到-5V的轉(zhuǎn)換，經(jīng)π型濾波后輸出-5V。

2.2 心電信號(hào)調(diào)理電路

心電信號(hào)調(diào)理電路即模擬電路部分，包括前置放大器、帶通濾波器、主放大器，電平調(diào)整電路和50Hz工頻陷波器；其組成見(jiàn)圖1。首先使用具有高輸入阻抗、高共模抑制比的儀用運(yùn)放和右腿驅(qū)動(dòng)電路完成前置放大，放大倍數(shù)為10；前置放大器能夠提高系統(tǒng)的輸入阻抗和共模抑制比。使用通帶為0.05～100Hz的帶通濾波器進(jìn)行濾波并將信號(hào)放大4倍。主放大器放大倍數(shù)為75。使用單片機(jī)內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換模塊，其輸入范圍為0～3.3V，故需進(jìn)行電平抬升。50Hz陷波器采用雙T型結(jié)構(gòu)[9]。

2.2.1 前置放大器

前置放大器的主要目標(biāo)是提高系統(tǒng)的共模抑制比、輸入阻抗并抑制噪聲，常選用高共模抑制比的儀用放大器。本設(shè)計(jì)采用ADI公司的AD620，其具有高共模抑制比、高精度、低噪聲、低成本、使用方便等特點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)一個(gè)外接電阻阻值即可完成放大倍數(shù)的設(shè)置。右腿驅(qū)動(dòng)電路是抑制工頻干擾的有效手段，把儀用放大器提取的工頻干擾連接到心電導(dǎo)聯(lián)線的屏蔽層上能夠有效抑制導(dǎo)聯(lián)線受到50Hz工頻干擾。

2.2.2 帶通濾波器

心電信號(hào)頻率主要為0.05～100Hz，能量集中在1～30Hz。因此需對(duì)0.05～100Hz的心電信號(hào)進(jìn)行保護(hù)，濾出此頻帶之外的信號(hào)。實(shí)際電路中，用兩個(gè)運(yùn)算放大器分別構(gòu)成二階壓控電壓源型低通和高通濾波器，低通和高通濾波器的截止頻率分別為0.05Hz和100Hz。

2.2.3 主放大器

從心電傳感器獲得的信號(hào)幅值最大約為1mV。前置放大器和帶通濾波器的增益為40倍，而要獲得清晰的心電信號(hào)至少需要將其放大一千倍。因此用主放大器對(duì)心電信號(hào)放大75倍，使輸出信號(hào)最大值約為3V。

2.2.4 電平調(diào)整電路

設(shè)計(jì)中使用MSP430單片機(jī)內(nèi)置AD模塊，其輸入范圍為0～3.3V，因此需對(duì)放大后的心電信號(hào)進(jìn)行電平調(diào)整。電平調(diào)整電路包括基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相加法器?；鶞?zhǔn)電壓源由電阻分壓器產(chǎn)生，并經(jīng)跟隨器后與心電信號(hào)相加完成電平調(diào)整功能。

2.2.5 50Hz陷波器

在心電采集儀中對(duì)50Hz工頻干擾進(jìn)行有效抑制是獲得良好心電信號(hào)的前提。在前置放大器中采用右腿驅(qū)動(dòng)技術(shù)能夠抑制來(lái)自人體的工頻干擾，采用經(jīng)典的雙T型帶阻濾波器構(gòu)成4階50Hz陷波器能進(jìn)一步抑制工頻干擾。

2.3 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路即系統(tǒng)的數(shù)字電路部分，其組成見(jiàn)圖1；包括MSP430F5529單片機(jī)，OLED顯示器，HC-06低功耗藍(lán)牙模塊。

數(shù)據(jù)采集電路的任務(wù)包括心電信號(hào)的數(shù)字化，計(jì)算心率并顯示在OLED液晶屏上，將數(shù)字化后的心電數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給手機(jī)等。A/D轉(zhuǎn)換使用單片機(jī)內(nèi)置的12位ADC模塊，利用單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)液晶顯示，使用單片機(jī)內(nèi)置的UART接口與藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在本設(shè)計(jì)中，將自帶仿真器的MSP430F5529最小系統(tǒng)板MSP430F5

529 LaunchPad直接集成到數(shù)字電路板上能極大降低實(shí)驗(yàn)成本。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件流程圖見(jiàn)圖2，可以將系統(tǒng)的軟件分為單片機(jī)程序和手機(jī)APP軟件兩個(gè)部分。

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件程序按照模塊化和低功耗的思想設(shè)計(jì)。該部分程序可分為五個(gè)大的模塊，分別是主程序，A/D轉(zhuǎn)換，心率計(jì)算，顯示驅(qū)動(dòng)，UART通信。每個(gè)模塊都由對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)子程序完成，以實(shí)現(xiàn)低功耗。

3.2 手機(jī)APP軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)APP程序主要包括人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)和心電數(shù)據(jù)采集、顯示及存儲(chǔ)。手機(jī)APP程序的功能包括與藍(lán)牙模塊建立通信連接，顯示接收到的心電數(shù)據(jù)波形和心率，存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)，對(duì)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行基本分析等，如心率過(guò)高或過(guò)低會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)報(bào)警。手機(jī)APP程序的界面見(jiàn)圖3。

4 在教學(xué)中的應(yīng)用

在“現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計(jì)”課程的理論教學(xué)中分析了心電采集儀的組成和原理，用Multisim軟件對(duì)心電信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行了原理仿真；通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)踐創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

4.1 驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始對(duì)采集儀的組成和各個(gè)單元模塊電路都有清楚的認(rèn)識(shí)，明確實(shí)驗(yàn)過(guò)程與注意事項(xiàng)。

（1）焊接調(diào)試。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，學(xué)生兩人一組完成調(diào)理電路PCB板的焊接調(diào)試。調(diào)試時(shí)使用直流穩(wěn)壓電源給PCB板提供±5V電壓，使用SKX-2000C型標(biāo)準(zhǔn)心電信號(hào)源模擬心電信號(hào)以加快調(diào)試進(jìn)程、降低調(diào)試難度。學(xué)生在逐個(gè)單元電路的焊接調(diào)試過(guò)程中能很好的掌握其原理和作用。通過(guò)焊接調(diào)試的方式比連線方式更能讓學(xué)生掌握典型調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)和功能，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

（2）連接測(cè)試。完成調(diào)理電路PCB板的焊接調(diào)試之后，將其與電源模塊和數(shù)字電路板連接，打開(kāi)預(yù)先下載的手機(jī)APP程序，引入心電信號(hào)就可以進(jìn)行觀察測(cè)試。首先把（1）中所述的標(biāo)準(zhǔn)心電信號(hào)源心率設(shè)為60，引入采集儀，觀察標(biāo)準(zhǔn)心電信號(hào)的特點(diǎn)；圖4（a）為在手機(jī)APP界面上觀察到的心電信號(hào)。然后觀察50Hz陷波器的作用，圖4（b）為某同學(xué)濾波之后的心電信號(hào)。

4.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)

在學(xué)生完成驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)并完全掌握采集儀的工作原理后，要求學(xué)生基于所掌握的知識(shí)并查閱文獻(xiàn)，對(duì)采集儀或單元電路進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，完成電路的實(shí)際制作。學(xué)生不僅可以設(shè)計(jì)制作單個(gè)電路模塊，也可以重新編寫(xiě)單片機(jī)或手機(jī)APP程序，優(yōu)化擴(kuò)展采集儀功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所開(kāi)發(fā)的心電采集儀將“現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器原理及設(shè)計(jì)”等課程的理論知識(shí)與實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練融為一體；是基于單片機(jī)的硬件開(kāi)發(fā)與面向?qū)ο蟾呒?jí)程序設(shè)計(jì)的結(jié)合。其具有神經(jīng)電生理信號(hào)采集系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)和典型電路，能加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解和掌握。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生以自身為測(cè)試對(duì)象、使用自己手機(jī)觀察心電信號(hào)，激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情和參與度；自己動(dòng)手進(jìn)行焊接調(diào)試、編寫(xiě)程序代碼，提高了學(xué)生的成就感與實(shí)踐創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練效果明顯，在2016年四川省電子設(shè)計(jì)大賽中獲二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，在2016年全國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽中獲全國(guó)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。該采集儀性能穩(wěn)定、功耗低、使用簡(jiǎn)單方便，在手機(jī)APP上增加數(shù)據(jù)上傳功能就可以應(yīng)用于心電的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)。

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