《電子技術應用》
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低功耗便攜式心電儀的設計
來源：電子技術應用2011年第12期
蘇維嘉1,，張金綱2
1.遼寧工程技術大學 機械工程學院汽車系,，遼寧 阜新123000,； 2.遼寧工程技術大學 機械工程學院機械電子系，遼寧 阜新123000
摘要： 介紹了一種低功耗便攜式心電儀的設計與實現(xiàn),。采用MSP430F169作為核心控制器，配有心電信號采集調(diào)理電路,、液晶顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊等,。該心電儀能夠?qū)π碾娺M行實時采集處理、顯示,，而且可以將存儲在SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)通過USB接口在上位機上進行顯示,、分析，功耗低,、方便攜帶,，有較強的通用性。
中圖分類號： TP216
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)12-0037-03
A low-power design of a portable ECG device
Su Weijia1,，Zhang Jin′gang2
1.Department of Automotive,Mechanical Engineering College,Liaoning Technical University, Fuxin 123000,，China； 2.Department of Mechanical and Electronic,Mechanical Engineering College,Liaoning Technical University, Fuxin 123000,，China
Abstract： This paper introduces the design and implementation of a low-power portable ECG device,， Using MSP430F169 as the core controller, with ECG signal acquisition circuit, liquid crystal display module and the data storage module. It is able to realize the function of real-time acquisition,processing and display of ECG, and can display and analysis the data stored in the SD card on the host computer through the USB interface. This portable device has low power consumption and is a strong versatile.
Key words : portable；ECG device,；MSP430F169


    心電圖是心臟疾病診斷的重要工具之一,，目前在醫(yī)院臨床中有廣泛的應用，給醫(yī)生診斷病癥帶來很大的幫助,。傳統(tǒng)的心電儀雖能有效地監(jiān)測心電,、降低心臟病患者的死亡率 ,但不能對患者進行長時間的實時監(jiān)護，而且存在體積大,、功耗高,、攜帶不便等缺點。鑒于此,，本文設計了一種結構簡單,、性能穩(wěn)定,、可靠的便攜式心電儀，能夠在家庭,、野外等一些場所對心電進行實時監(jiān)測,，具有廣泛的應用前景[1]。
1 系統(tǒng)硬件結構及原理
    低功耗便攜式心電儀由MSP430F169,、心電信號采集調(diào)理電路,、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊,、按鍵輸入模塊等組成,，如圖1所示。

    通過以標準導聯(lián)方式I和人體相連的電極取得的心電信號,，因為環(huán)境中存在各種干擾(人體自身的肌電干擾,，外部的工頻干擾等)，所以必須經(jīng)過模擬放大電路的放大,、濾波等調(diào)理之后才可進入MSP430F169單片機,，利用單片機內(nèi)部的A/D模塊對模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后存儲數(shù)據(jù),，并在液晶屏上顯示,，觀察者可以直觀地看到心電信號波形和每分鐘心跳的次數(shù)。系統(tǒng)采用SD卡來存儲采集的數(shù)據(jù),，采集的心電信號數(shù)據(jù)可以長時間存儲,，這對于心電信號異常且有偶發(fā)性的病人具有重要價值。系統(tǒng)還可以通過串口把采集的心電信號實時傳輸?shù)缴衔粰C,，由上位機顯示并進行實時分析,。
1.1 微控制器
    微控制器采用TI公司的MSP430F169單片機，它是一款低功耗單片機,，當所有器件均采用低功耗模式工作時,，總功率不到1 W，RAM 數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅 0.1 ?滋A,，活動模式下耗電250 μA/MIPS,，特別適合于便攜式設備；片內(nèi)集成有12 bit A/D轉(zhuǎn)換模塊,，4種轉(zhuǎn)換模式,，轉(zhuǎn)換速度最快達到200 Kb/s，足以滿足心電采集的要求[2],。
1.2 心電信號調(diào)理電路
    心電信號調(diào)理電路是本系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一,，主要由前置放大、高通濾波,、50 Hz陷波,、低通濾波和后級放大電路組成,，如圖2所示。因為體表ECG心電儀一般只有0.05 mV~5 mV,，具有微弱和易受干擾等特點,， 因此，采用高輸入阻抗,、高共模抑制比的差分放大電路進行前置放大,，以增大輸入阻抗、減少共模信號干擾,；帶通濾波電路主要由高通濾波器和低通濾波器組成,，通頻帶為0.5 Hz~100 Hz，濾除心電頻率范圍以外的干擾信號,；50 Hz 陷波處理器濾除工頻干擾,；后級放大器將ECG信號進一步放大100倍左右到合適范圍，然后輸出到核心控制器MSP430F169的A/D模塊,。

1.3 數(shù)據(jù)存儲模塊
    本系統(tǒng)中使用SD卡存儲采集的心電信號數(shù)據(jù)。SD卡是一種體積小,、容量大,、性價比高、訪問接口簡單的存儲卡,，具有低功耗,、非易失性等特點，被大量應用于數(shù)碼照相機,、手機等便攜式設備中,。使用SD卡可將心電數(shù)據(jù)傳送到功能更強大的PC機中進行進一步的分析處理，其接口電路如圖3所示,。其中,，DAT0～DAT3為數(shù)據(jù)線，CMD為命令線,，CLK為時鐘線,，為存儲模塊提供時鐘，CD_SW用于控制SD卡的熱插撥,。

 

 


    MSP430F169的P1.1～P1.5連接5個獨立按鍵,，其中4個用于調(diào)整心電波形顯示的周期和幅值，1個用于串口數(shù)據(jù)發(fā)送,。
2 軟件系統(tǒng)設計
    系統(tǒng)軟件部分是在IAR430開發(fā)平臺下進行開發(fā)調(diào)試完成的,。IAR430是專門為TI公司的MSP430單片機而設計的一款開發(fā)軟件，它提供了工程管理,、程序編輯,、代碼下載,、軟硬件調(diào)試等幾乎所有的功能[3]。
    系統(tǒng)流程圖如圖5所示,。首先系統(tǒng)進行初始化(包括看門狗,、系統(tǒng)時鐘、I/O口,、UART1,、ADC12、TimerB及LCD等初始化),，開總中斷后系統(tǒng)進入主循環(huán)體,，當采集滿一屏數(shù)據(jù)時，主循環(huán)體內(nèi)進行心電波形的刷新顯示,；不滿一屏數(shù)據(jù)時,，進入低功耗狀態(tài)。A/D采集用中斷方式,，系統(tǒng)的采樣頻率通過定時器控制,，5個獨立按鍵采用中斷方式，通過軟件延時消除按鍵抖動,。

2.1 低功耗設計
    由于MSP430單片機是專為低功耗設計的,，所以本系統(tǒng)的程序部分按照其低功耗方案設計。除了心電波形顯示,、擦除這種必要步驟在大循環(huán)內(nèi)運行外,，其余的(包括A/D轉(zhuǎn)換程序、定時器采樣頻率,、按鍵)全部采用中斷方式,，只有事件觸發(fā)時才運行；而在主程序設計中只有在采集完一屏數(shù)據(jù)之后才運行心電波形顯示,，其余時間全部進入LPM1低功耗模式,；數(shù)據(jù)的存儲不經(jīng)MCU，直接利用MSP430F169內(nèi)部的DMA模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,。這一設計方法大大降低了系統(tǒng)的功耗[4],。
2.2 系統(tǒng)各子程序設計
    （1）A/D部分
    MSP430F169的P6.0～P6.7為A/D復用口，本系統(tǒng)采用P6.4,，即A4作為A/D的輸入口,，采用單通道多次轉(zhuǎn)換方式。A/D轉(zhuǎn)換采用中斷方式,，中斷子程序內(nèi)只編寫一條語句,，即關A/D中斷，不進行其他任何操作，以使A/D最高采樣頻率達到理想狀態(tài),。A/D的初始化程序如下：
    void ADC12_S_S_Init(void)
    {  P6SEL|=BIT4;
       ADC12CTL0=ADC12ON+REFON+REF2_5V+SHT0_2
+MSC,；
       ADC12CTL1=ADC12SSEL_0+SHP+CONSEQ_2
+CSTARTADD_4；
       ADC12MCTL4=SREF_1+INCH_4,；
       ADC12IE |=BIT4,；
       ADC12CTL0 |=ENC+ADC12SC；
    }
    （2）定時器中斷部分
    系統(tǒng)的采樣頻率由定時器控制,，并由按鍵對頻率進行縮放,，定時器采用子系統(tǒng)時鐘、8分頻(系統(tǒng)時鐘為8 MHz),。定時器亦采用中斷方式,，中斷子程序內(nèi)對A/D轉(zhuǎn)換后的值進行存儲，并查詢是否采集完一屏數(shù)據(jù),，如果采集滿屏,，即關閉定時器中斷和A/D中斷，然后滿屏標志位置1,，退出低功耗模式,，退出中斷[5]。中斷子程序如下：
    #pragma vector=TIMERB0_VECTOR
    __interrupt void Timer_B (void)
       {   results[index]=ADC12MEM4,；
         index++,；
         if(index==102)//如果采集完一屏
          {  index=0；
            TBCCTL0 &=~CCIE,；//先關閉定時器B
            ADC12IE &=~BIT4；//關ADC中斷
            collect_a_screen=1,；//滿屏標志位置1
            LPM1_EXIT,；//退出低功耗模式
          }
        else ADC12IE |= BIT4;//開ADC中斷
      }
    （3）SD卡部分
    采集的數(shù)據(jù)通過MSP430F169內(nèi)部集成的DMA模塊傳送到SD卡內(nèi)。DMA選用通道0,，觸發(fā)方式為ADC12IFG4,，按字節(jié)發(fā)送。SD卡的操作以命令方式進行,，所有的命令都由主機主動發(fā)送,，SD卡根據(jù)不同的命令做出不同的響應。其應答流程如圖6所示,。

3 應用與注意事項
    用本系統(tǒng)采集人體心電,，經(jīng)驗證，能夠在LCD屏上正確顯示出如圖7所示的人體的心電波形,，并能通過串口或SD卡將采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機進行進一步顯示分析,。本系統(tǒng)設計時需要注意：MSP430F169默認是關閉中斷嵌套，所以用到中斷嵌套時,，進入中斷子程序后應首先打開總中斷,，這樣才能執(zhí)行嵌套中斷,；在LCD上畫心電波形時，應采用分列式,，即擦一列畫一列,，這樣才能保證心電波形穩(wěn)定顯示。

    本文從家用便攜式心電儀的特點出發(fā),，設計了一款功能適當,、功耗極低并且價格低廉適用于家庭保健用的心電儀。同傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比,，本系統(tǒng)采用低功耗微控制器MSP430F169,，在軟件設計中通過低功耗設計，大大降低了系統(tǒng)功耗,，而且性能穩(wěn)定,、可靠，設計過程簡便,，降低了成本,，具有廣泛的應用價值。
參考文獻
[1] 楊振江,，王曙梅.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社,，2002.
[2] 沈建華，楊艷琴,，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社,，2004.
[3] 張晞，王德銀,，張晨.MSP430系列單片機實用C語言程序設計[M].北京：人民郵電出版社,，2005.
[4] 張石，董建威,，王軍輝,，等.便攜式無線心電監(jiān)護儀的低功耗設計[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006(7).
[5] 胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設計與開發(fā)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社,，2003.

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