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低功耗便携式心电仪的设计
来源:电子技术应用2011年第12期
苏维嘉1,张金纲2
1.辽宁工程技术大学 机械工程学院汽车系,辽宁 阜新123000; 2.辽宁工程技术大学 机械工程学院机械电子系,辽宁 阜新123000
摘要:介绍了一种低功耗便携式心电仪的设计与实现。采用MSP430F169作为核心控制器,配有心电信号采集调理电路、液晶显示模块和数据存储模块等。该心电仪能够对心电进行实时采集处理、显示,而且可以将存储在SD卡内的数据通过USB接口在上位机上进行显示、分析,功耗低、方便携带,有较强的通用性。
中图分类号:TP216
文献标识码:A
文章编号: 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


心电图是心脏疾病诊断的重要工具之一,目前在医院临床中有广泛的应用,给医生诊断病症带来很大的帮助。传统的心电仪虽能有效地监测心电、降低心脏病患者的死亡率 ,但不能对患者进行长时间的实时监护,而且存在体积大、功耗高、携带不便等缺点。鉴于此,本文设计了一种结构简单、性能稳定、可靠的便携式心电仪,能够在家庭、野外等一些场所对心电进行实时监测,具有广泛的应用前景[1]。
1 系统硬件结构及原理
低功耗便携式心电仪由MSP430F169、心电信号采集调理电路、液晶显示模块、数据存储模块、按键输入模块等组成,如图1所示。

通过以标准导联方式I和人体相连的电极取得的心电信号,因为环境中存在各种干扰(人体自身的肌电干扰,外部的工频干扰等),所以必须经过模拟放大电路的放大、滤波等调理之后才可进入MSP430F169单片机,利用单片机内部的A/D模块对模拟信号进行模数转换,然后存储数据,并在液晶屏上显示,观察者可以直观地看到心电信号波形和每分钟心跳的次数。系统采用SD卡来存储采集的数据,采集的心电信号数据可以长时间存储,这对于心电信号异常且有偶发性的病人具有重要价值。系统还可以通过串口把采集的心电信号实时传输到上位机,由上位机显示并进行实时分析。
1.1 微控制器
微控制器采用TI公司的MSP430F169单片机,它是一款低功耗单片机,当所有器件均采用低功耗模式工作时,总功率不到1 W,RAM 数据保持方式下耗电仅 0.1 ?滋A,活动模式下耗电250 μA/MIPS,特别适合于便携式设备;片内集成有12 bit A/D转换模块,4种转换模式,转换速度最快达到200 Kb/s,足以满足心电采集的要求[2]。
1.2 心电信号调理电路
心电信号调理电路是本系统的重要环节之一,主要由前置放大、高通滤波、50 Hz陷波、低通滤波和后级放大电路组成,如图2所示。因为体表ECG心电仪一般只有0.05 mV~5 mV,具有微弱和易受干扰等特点, 因此,采用高输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路进行前置放大,以增大输入阻抗、减少共模信号干扰;带通滤波电路主要由高通滤波器和低通滤波器组成,通频带为0.5 Hz~100 Hz,滤除心电频率范围以外的干扰信号;50 Hz 陷波处理器滤除工频干扰;后级放大器将ECG信号进一步放大100倍左右到合适范围,然后输出到核心控制器MSP430F169的A/D模块。

1.3 数据存储模块
本系统中使用SD卡存储采集的心电信号数据。SD卡是一种体积小、容量大、性价比高、访问接口简单的存储卡,具有低功耗、非易失性等特点,被大量应用于数码照相机、手机等便携式设备中。使用SD卡可将心电数据传送到功能更强大的PC机中进行进一步的分析处理,其接口电路如图3所示。其中,DAT0~DAT3为数据线,CMD为命令线,CLK为时钟线,为存储模块提供时钟,CD_SW用于控制SD卡的热插拨。


MSP430F169的P1.1~P1.5连接5个独立按键,其中4个用于调整心电波形显示的周期和幅值,1个用于串口数据发送。
2 软件系统设计
系统软件部分是在IAR430开发平台下进行开发调试完成的。IAR430是专门为TI公司的MSP430单片机而设计的一款开发软件,它提供了工程管理、程序编辑、代码下载、软硬件调试等几乎所有的功能[3]。
系统流程图如图5所示。首先系统进行初始化(包括看门狗、系统时钟、I/O口、UART1、ADC12、TimerB及LCD等初始化),开总中断后系统进入主循环体,当采集满一屏数据时,主循环体内进行心电波形的刷新显示;不满一屏数据时,进入低功耗状态。A/D采集用中断方式,系统的采样频率通过定时器控制,5个独立按键采用中断方式,通过软件延时消除按键抖动。

2.1 低功耗设计
由于MSP430单片机是专为低功耗设计的,所以本系统的程序部分按照其低功耗方案设计。除了心电波形显示、擦除这种必要步骤在大循环内运行外,其余的(包括A/D转换程序、定时器采样频率、按键)全部采用中断方式,只有事件触发时才运行;而在主程序设计中只有在采集完一屏数据之后才运行心电波形显示,其余时间全部进入LPM1低功耗模式;数据的存储不经MCU,直接利用MSP430F169内部的DMA模块实现数据传输。这一设计方法大大降低了系统的功耗[4]。
2.2 系统各子程序设计
(1)A/D部分
MSP430F169的P6.0~P6.7为A/D复用口,本系统采用P6.4,即A4作为A/D的输入口,采用单通道多次转换方式。A/D转换采用中断方式,中断子程序内只编写一条语句,即关A/D中断,不进行其他任何操作,以使A/D最高采样频率达到理想状态。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)定时器中断部分
系统的采样频率由定时器控制,并由按键对频率进行缩放,定时器采用子系统时钟、8分频(系统时钟为8 MHz)。定时器亦采用中断方式,中断子程序内对A/D转换后的值进行存储,并查询是否采集完一屏数据,如果采集满屏,即关闭定时器中断和A/D中断,然后满屏标志位置1,退出低功耗模式,退出中断[5]。中断子程序如下:
#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;//先关闭定时器B
ADC12IE &=~BIT4;//关ADC中断
collect_a_screen=1;//满屏标志位置1
LPM1_EXIT;//退出低功耗模式
}
else ADC12IE |= BIT4;//开ADC中断
}
(3)SD卡部分
采集的数据通过MSP430F169内部集成的DMA模块传送到SD卡内。DMA选用通道0,触发方式为ADC12IFG4,按字节发送。SD卡的操作以命令方式进行,所有的命令都由主机主动发送,SD卡根据不同的命令做出不同的响应。其应答流程如图6所示。

3 应用与注意事项
用本系统采集人体心电,经验证,能够在LCD屏上正确显示出如图7所示的人体的心电波形,并能通过串口或SD卡将采集的数据传送到上位机进行进一步显示分析。本系统设计时需要注意:MSP430F169默认是关闭中断嵌套,所以用到中断嵌套时,进入中断子程序后应首先打开总中断,这样才能执行嵌套中断;在LCD上画心电波形时,应采用分列式,即擦一列画一列,这样才能保证心电波形稳定显示。

本文从家用便携式心电仪的特点出发,设计了一款功能适当、功耗极低并且价格低廉适用于家庭保健用的心电仪。同传统的数据采集系统相比,本系统采用低功耗微控制器MSP430F169,在软件设计中通过低功耗设计,大大降低了系统功耗,而且性能稳定、可靠,设计过程简便,降低了成本,具有广泛的应用价值。
参考文献
[1] 杨振江,王曙梅.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.
[2] 沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.
[3] 张晞,王德银,张晨.MSP430系列单片机实用C语言程序设计[M].北京:人民邮电出版社,2005.
[4] 张石,董建威,王军辉,等.便携式无线心电监护仪的低功耗设计[J].医疗卫生装备,2006(7).
[5] 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2003.

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