心電信號是一種由心肌收縮而產(chǎn)生，并可提供心臟生理功能變化信息的生物電信號，將測量電極放在身體的不同部位,，把不同體表的電位差變化記錄下來,，就得到了心電圖(Electro Cardio Gram，ECG),。由于易于檢測且直觀性較好，在臨床醫(yī)學(xué)中得到較為廣泛的應(yīng)用)。然而傳統(tǒng)心電信號采集設(shè)備體積較大,，不便于實時獲取心電信號。因此研究便攜式,、低功耗的心電信號采集系統(tǒng)有重要意義,。本文以低功耗模擬前端ADS1293為基礎(chǔ)，結(jié)合MSP430系列低功耗單片機設(shè)計了一種可用于超低功耗和微型化的心電信號采集系統(tǒng),。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　心電信號采集系統(tǒng)主要由信號采集前端ADS1293和MSP430單片機控制電路組成,。工作原理如下：電極提取的人體心電信號，首先送入ADS 1293做適當(dāng)?shù)姆糯蠛筮M行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,，變成數(shù)字信號,。然后通過SPI接口送入MSP430單片機進行分析和處理，最后通過單片機的USB接口送到便攜式顯示設(shè)備實時顯示波形,。

　　1.1 信號采集前端ADS1293

　　ADS1293是美國德州儀器公司(TI)用于生物電勢測量的3通道,、24位集成模擬前端，它能夠針對特定的采樣率和帶寬對每個通道進行設(shè)定,，使用戶能夠針對性能和功耗來優(yōu)化配置,。其還具有交直流斷線檢測(Lead_off Detect)、電池電量監(jiān)控和自我診斷報警等功能,，內(nèi)置有ECG應(yīng)用所需的右腿驅(qū)動電路租Wilson/Goldberger終端,。ADS1293內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部引腳的連接方式如圖2所示，從信號的流向可劃分為信號輸入接口,、信號處理單元和信號輸出接口等部分,。

　　(1)信號輸入接口。信號輸入引腳從IN1～IN6共有6個,，全部輸入引腳都包含一個電磁干擾(EMI)過濾器以濾除射頻噪聲,。系統(tǒng)采用5導(dǎo)聯(lián)連接方式，即右臂(RA),、左臂(LA)和左腿(LL)分別連接到IN1,、IN2和IN3引腳;共模探測器(CM detect)取得RA,、LA和LL的平均電壓用作右腿驅(qū)動(RLD)放大器的輸入，右腿驅(qū)動放大器的輸出再返回到右腿(RL)端,，一起從IN4引腳輸入,。右腿驅(qū)動電路的作用是控制病人的共模水平，提升系統(tǒng)的交流抑制比;威爾遜網(wǎng)絡(luò)(WCT)的輸出連接到IN6引腳,，與連接到IN5引腳的V1(胸電極)一起作為CH3通道的差分信號輸入,。

　　(2)信號處理單元。主要由儀用放大器(INA),、∑△調(diào)節(jié)器(SDM)和低通數(shù)字濾波器(Digital Filter)3部分組成,，主要作用是將差分模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。儀用放大器是一個具有高輸入阻抗的運算放大電路,，主要有兩個作用：1)對差分信號起一定的放大作用,。2)提供高輸入阻抗，以便從ECG電極獲取更大的輸入信號,。儀用放大器的輸出信號送入∑△調(diào)制器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,，∑△調(diào)制器是基于過采樣的一位編碼技術(shù)，輸出反映了輸入信號幅度的一位編碼數(shù)據(jù)流,。低通數(shù)字濾波器由3個可編程的5階sin型濾波器組成,，∑△調(diào)制器的輸出由低通數(shù)字濾波器處理后，即可得到N位編碼輸出,。

　　(3)信號輸出接口,。主要包括4線SPI串行接口、DRDYB引腳和ALRAM引腳,。各引腳的功能如下：SCLK為串行時鐘輸入引腳;SDI為串行數(shù)據(jù)輸入引腳,，共16位，其中,，1位讀寫控制,，7位地址和8位數(shù)據(jù)。在時鐘上升沿期間,，所有數(shù)據(jù)被采樣和在第16個時鐘上升沿時被寫入寄存器中,。SDO為串行數(shù)據(jù)輸出引腳，在8～15個時鐘下降沿,，SDO引腳讀數(shù)據(jù),。CSB為片選引腳，低電平有效,，在低電平期間SPI接口開始讀寫數(shù)據(jù)，低電平維持16個時鐘周期;DRDYB為模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束引腳,，表示芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好可以讀取,，低電平有效,，通常可用作CPU的中斷信號或狀態(tài)查詢信號;ALARMB為報警引腳,，ADS1293有一個自我診斷報警系統(tǒng),，用于診斷在ECG應(yīng)用中可能發(fā)生的異常情況，這些異常情況主要包括電極脫落,、同步錯誤,、低電警告和3個通道工作異常等，一旦有異常情況發(fā)生就報告給錯誤標(biāo)志,，并在ARLAM引腳上顯示,。

　　1.2 MSP430單片機控制電路

　　選用TI公司的超低功耗單片機MSP430F5529作為主控制器，其具有豐富的片內(nèi)外設(shè),，各個模塊運行完全獨立,，包括定時器、輸入/輸出端口,、看門狗和UART等均可在主CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行,。在所有模塊都處于活動狀態(tài)時，電流的典型值為290μA/MHz,。在待機模式下,，電流的典型值僅為0.18μA，從待機到喚醒的響應(yīng)時間為3.5μs,。MSP430F5529含有2個通用串行通信接口(USCI)模塊,，支持多種通信模式，如UART,、IrDA,、I2C、SPI和USB,。在系統(tǒng)中,，MSP430F5529利用SPI接口對ADS1293進行控制和數(shù)據(jù)的傳輸，其中,，MSP430F5529工作于主模式下,，ADS1293工作于從模式下。通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖銛y式顯示設(shè)備或計算機,，圖3給出了MSP430F5529的接口電路,。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件主要包括：(1)對ADS1293進行控制，完成心電信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換,，并通過SPI接口讀取數(shù)據(jù),。(2)通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示設(shè)備實時顯示，程序流程如圖4所示。

　　首先,，對單片機進行初始化,，配置與ADS1293通信的SPI接口和與顯示設(shè)備相連的USB接口。再通過設(shè)置相關(guān)的寄存器來實現(xiàn)對ADS1293的初始化,，包括儀用放大器和∑△調(diào)節(jié)器的工作頻率設(shè)定,、可編程濾波器的參數(shù)設(shè)置以及各報警寄存器的設(shè)置等。然后啟動ADS1293,，通過查詢DRDYB引腳的狀態(tài)來判斷ADS1293模/數(shù)轉(zhuǎn)換是否完成和數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好,，若未準(zhǔn)備好，繼續(xù)查詢,。否則,，產(chǎn)生一個中斷給單片機MSP430F5529再通過SPI接口讀取ADS1293寄存器中的數(shù)據(jù)，通過USB接口發(fā)送給顯示設(shè)備,。

　　3 結(jié)束語

　　本文提出了一種低功耗,、便攜式心電信號采集系統(tǒng)的設(shè)計方法。系統(tǒng)采用低功耗模擬前端芯片ADS1293來替代傳統(tǒng)的分立式前端電路,，利用ADS1293內(nèi)部集成的右腿驅(qū)動電路,、威爾遜終端、電極脫落檢測等ECG應(yīng)用所需要的模塊簡化了前端電路,，與分立式方案相比,，可將組件數(shù)量降低90%以上。ADS1293單個通道功耗僅為0.3 mW,，且具有靈活的斷電和待機模式,，可延長便攜式設(shè)備的電池使用壽命。綜上所述,，系統(tǒng)具有功耗低,、體積小等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景,。

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