采用儀表放大器和MSP430單片機設計開發(fā)了一種簡單有效的心電采集測量系統(tǒng),。通過標準2導聯(lián)，把生物電信號傳送到放大器,，由于生物電信號比較微弱,，信號還需要經過二次放大。利用50 Hz陷波器消除工頻干擾,；使用單片機采集數(shù)據,；采用單端模式，測量心電信號測量范圍0~600 mV.可以在12864液晶屏上顯示,，也可通過串口傳送到個人計算機,。最后為試驗系統(tǒng)編寫了上位機程序，該系統(tǒng)可以為醫(yī)生提供病人的遠程參考數(shù)據。
隨著微電子技術與工藝的發(fā)展,，各種電子產品逐漸趨于小型化和集成化,，而功能更強大，這使得醫(yī)用設備家庭化成為可能,。隨著我國城市人口老齡化,、物質生活的改善，心血管疾病不斷增加,，人們對這一類疾病的預防和診斷需求也在增長,。文中采用TI公司的SOc型混合微處理器單片機，用Altera公司的CPLD做為控制器,，處理心電和脈搏信號,。作為數(shù)字前端的心電和脈搏信號，經過由放大器組成的模擬電路,，放大,、濾波和陷波處理，經控制系統(tǒng),，通過串口發(fā)送到個人計算機,，同時設有報警裝置。此心電和脈搏測量最小系統(tǒng)以插卡形式給出,，通過PCI接口完成對其電源配置和CPLD連接到液晶顯示,。
1 心電和脈搏處理電路設計
采用標準II導聯(lián)模式，將電極分別接在人體的左右手腕和左腳腕,。具體的連接如圖1所示,，左右手兩路信號連接到易用放大器，左腳接地,，進行一次放大,。從人體皮膚測得的心電信號較微弱，而且經常疊加著各種干擾和噪聲,，最常見的就是電網的工頻干擾,。因此信號要進行二次放大并且進行50 Hz陷波處理。接下來的數(shù)據一路送往報警檢測電路,，另一路送往單片機處理,。
圖1 心電與脈搏處理電路
由于心電信號微弱，儀用放大器輸入電阻大,，共模抑制比高,，增益調節(jié)方便，使用易用放大器作為輸入級,。
放大器件采用INA128,增益
,，Rg是2腳和8腳之間的電阻值，設計中為滑動變阻器與固定電阻之和，變化范圍是220~5220Ω,，增益變化范圍約為10~228 dB動態(tài)范圍很大,。
心電信號經過放大后仍需要二次放大，其電路采用普通的同相比例放大器經過二次放大后,，所得信號可達4~5 V.為消除50 Hz工作頻率的影響,，采用傳統(tǒng)的陷波器，抑制50Hz噪聲,。
陷波器有兩種：一種是使用雙由雙T網絡和運放組成,；另一種是由帶通濾波氣和相加器組成。文中使用的是帶通濾波器和相加器構成的陷波器,，如圖2所示,。
圖2 帶通濾波器和相加器構成的陷波器
U1信號加入進帶通濾波器，使用雙蹤示波器觀察U1和U2波形,，調節(jié)滑動變阻器使得U2處50 Hz信號最大,，帶通濾波器中心頻率為50 Hz,U1和U2信號等幅度反相位，信號U2進入加法器,，微調變阻器使U3輸出接近為零,，抑制50 Hz信號,，這就完成了50 Hz陷波,。由于模擬電路噪聲的存在，50 Hz仍然有微弱輸出,，可以通過數(shù)字濾波進行消除,。
圖3是50 Hz陷波以后示波器觀察的心電信號。圖4是50 Hz陷波以后示波器觀察的脈搏信號,。陷波以后的信號一路送往報警電路,，一路送往單片機，進行采樣處理,。
圖3 心電信號
圖4 脈搏信號
2 MSP430單片機系統(tǒng)設計
MSP430系列單片機是TI公司1996年推出的一個優(yōu)秀的SOC型混合微處理器產品系列,，16位的高效的微處理器系統(tǒng)，豐富強大的外圍電路資源,，其中也包括很多高性能的模擬電路資源,，低功耗成為被廣泛應用的一款單片機設計采用MSP430的2系列單片機。對心電信號進行A/D采樣,。然后經模擬串口發(fā)送到個人計算機,。
2.1 Sigma-delta模塊
2系列單片機含有獨立的16位ADC,并且包含基準源，可編程序增益放大器以及溫度傳感器,，適合各種高精度測量應用,，SD16模塊部分框圖如圖5所示，它采用Sigma-delta調制技術。
圖5 SD16模塊部分框圖
SD16模塊含有獨立的控制寄存器,，并且有8個獨立的差分通道,，6通道接到內部傳感器，通道7短路,，用于0 V校準,。其實ADC模塊只是引出數(shù)量有限的通道，原因是管腳受限,。
2.2 單片機系統(tǒng)設計
MSP430單片機系統(tǒng)設計硬件框圖如圖6所示,。
圖6 MSP430單片機系統(tǒng)設計硬件框圖
數(shù)據采集部分，使用單端模式,，時鐘為輔助時鐘32.768 kB,2分頻以后,，過采樣率為256 Hz,實際采樣率為64 Hz,相對于心電信號和脈搏信號，滿足奈奎斯特采樣定律,。采樣數(shù)據可以通過模擬串口發(fā)送到上位機PC,也可以通過CPLD至液晶屏實時顯示波形,。
2.3 數(shù)據采集和模擬串口發(fā)送軟件設計
有單片機采集的數(shù)據經過串口傳送到計算機，使用SPI（Serial Peripheral Interface）協(xié)議,。
由于計算機串口電平轉化,，采用Max232N進行設計，電路圖如圖7所示,。
圖7 MAX232N與串口protel原理圖
MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS~232標準串口設計的單電源電平轉換芯片由3部分組成,，圖7是Protel原理圖。
（1）供電部分包括電源和地,，分別是16腳和15腳,，5V電源。
（2）電荷泵電路部分,，功能是提供正負12 V電源,，供給RS-232串口使用，使用了前6個引腳,，1和3腳之間,，4和5腳之間使用了極性電容分別為1μF.
（3）數(shù)據轉換部分，有兩個數(shù)據通道,。第一數(shù)據通道包括13腳（R1IN）,、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）,、14腳（T1OUT）,；第二數(shù)據通道包括8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）,、10腳（T2IN）,、7腳（T2OUT）,。TTL/CMOS數(shù)據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數(shù)據從T1OUT,、T2OUT送到電腦DB9插頭,；DB9插頭的RS-232數(shù)據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數(shù)據后從R1OUT,、R2OUT輸出,。
MSP430單片機低功耗主要靠時鐘休眠來實現(xiàn)，中斷子程序可以喚醒不同深度的休眠模式,。因此,，充分利用時中斷、休眠和時鐘之問的關系,，實現(xiàn)數(shù)據采集和串口發(fā)送,。單片機程序流程圖，如圖8所示,。
圖8 單片機程序流程圖
使用定時器模擬串口通信協(xié)議,，產生波特率9 600 bit·s-1.由于是16位A/D,每次傳送8位到計算機，分兩次傳輸,，先傳送高8位,，然后傳送低8位，采樣率為64Hz,。
3 實驗結果和PCB設計
數(shù)據通過串口發(fā)送到計算機,，沒有數(shù)字濾波之前使用Matlab仿真現(xiàn)顯示的波形如圖9所示。
圖9 心電波形
與正常電信號相比濾波之后能夠反映出心臟的基本工作狀況,。南于是數(shù)?；旌想娐?，PCB插卡的設計和調試較重要,，數(shù)字地和模擬地應分開且單點連接。CPLD和液晶在試驗基板上,，插卡只是整個大系統(tǒng)的一小部分,。
4 基于LabVIEW上位機設計
設計了基于LabVIEW的上位機界面，LabVIEW是一種圖形化程序開發(fā)環(huán)境,，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā),，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼,，而LabVIEW使用圖形化編輯的G語言編寫程序,，產生的程序是框圖形式。
圖10是上位機程序界面,，可以實現(xiàn)心率測量,，數(shù)據區(qū)域放大,、拖動、存儲和回放,，既可以自動測量,，也可以設定門限手動測量。
圖10 上位機界面
5 結束語
設計時考慮到了成本和單片機的資源需求,，測量心電和脈搏是分開的,，PCB插卡上有跳線，可以在不同需要時進行選擇,。設計采用傳統(tǒng)的模擬電路和最新的數(shù)字器件,，用單片機自帶的模數(shù)轉換模塊，對信號進行采集,，定時器產生波特率中斷模擬串口,，通過串口發(fā)送到計算機，實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化處理,，最后使用LabVIEW編寫上位機程序,。不足之處是，遠程傳輸問題考慮得不夠完備,，應當改進,。