基于ＭＰ４３０和ＵＢ的胎兒心電圖儀的設(shè)計(jì)

摘 要：介紹一種基于MP430單片機(jī)和UB總線的胎兒心電圖儀，并給出其硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)采用I公司超低功耗單片機(jī)MP430F149對(duì)母體腹部和胸部心電信號(hào)進(jìn)行同步采集，并通過(guò)UB接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)，利用上位機(jī)軟件完成處理、顯示、存儲(chǔ)等。系統(tǒng)性能可靠、使用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉。

關(guān)鍵詞：胎兒心電圖儀；信號(hào)調(diào)理；MP430；UB

Design of Fetal Electrocardiogram Based on MP430 and UB

JIA Zhonghua1，QI Lin1，MU Xiaomin1，YANG houyi1，MA Pengge2

(1Information Engineering chool，Zhengzhou University，Zhengzhou，4002，China;

[JZ]2Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management，Zhengzhou，4002，China)

Abstract：he paper presents a fetal electrocardiogram system based on MP430 and UB interfacehe hardware and software of the system are also introducedIn the system，it synchronously samples MECG signal and FECG signal by using ultralow[CD2]power micro[CD2]controller MP430F149 of I，and then the sample results are uploaded to PC by UB interfacehe results will be stored，processed and showed by software on the PChis design of FECG is high in quality，low in cost and easy in use

Keywords：FECG;signal processing;MP430;UB

1 引 言

隨著人們生活水平的提高和圍產(chǎn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)優(yōu)生優(yōu)育、母嬰健康和安全的要求日益提高，對(duì)胎兒發(fā)育的生理和病理的研究成為一項(xiàng)重要課題。胎兒心電圖（Fetal Electro Cardiogram，F(xiàn)ECG）是反映胎兒心臟電生理活動(dòng)的一項(xiàng)客觀指標(biāo)，反映了胎兒在孕期中的生長(zhǎng)和健康狀況，其作用是臨床聽(tīng)診和胎兒監(jiān)護(hù)儀所不能取代的一種胎心觀察法，在臨床上有著廣泛的應(yīng)用和深入研究的背景［1］。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的胎兒心電圖儀所記錄信號(hào)為母親和胎兒的混合心電信號(hào)，胎兒心電信號(hào)易被母親心電信號(hào)掩蓋，不能稱為真正意義上的胎兒心電圖。這里在開(kāi)展微弱信號(hào)處理、獨(dú)立分量分析等研究的基礎(chǔ)上，采用I公司的MP430系列單片機(jī)MP430F149，結(jié)合通用串行總線（UB）技術(shù)設(shè)計(jì)此胎兒心電圖儀。

2 胎兒心電圖儀的硬件實(shí)現(xiàn)

胎兒心電圖儀的系統(tǒng)組成如圖1所示。

本系統(tǒng)是基于I公司的MP430F149和Philips公司的UB接口芯片PDIUBD12構(gòu)建的PC[CD2]FECG系統(tǒng)。由心電電極采集的多路模擬信號(hào)經(jīng)MP430F149的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC12采樣量化后，通過(guò)UB接口芯片PDIUBD12發(fā)送到上位機(jī)，并由上位機(jī)完成FECG信號(hào)的處理、顯示、存儲(chǔ)等。

21 MP430單片機(jī)

設(shè)計(jì)采用德州儀器公司生產(chǎn)的16位ALA型單片機(jī)MP430F149芯片。MP430系列芯片具有超低功耗，靈活的時(shí)鐘使用方式，處理能力強(qiáng)，靈活快速的編程方式及豐富的外設(shè)資源等特點(diǎn)；芯片上包含JAG接口，可以實(shí)現(xiàn)在線寫(xiě)入，因此JAG在線仿真調(diào)試省去了傳統(tǒng)的昂貴的仿真器與編程器，節(jié)省了開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間。

MP430F149芯片內(nèi)包括一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器ADC12，它帶有采樣/保持功能的ADC內(nèi)核、可控制的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)和參考電平發(fā)生器、可控制和選擇的時(shí)鐘源、可控制的采樣及轉(zhuǎn)換時(shí)序電路［2］。ADC12與一般的ADC相比，具有高速、通用的特點(diǎn)，適合于精密的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，能夠?qū)?個(gè)外部模擬通道和4個(gè)內(nèi)部電壓通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換， 且最大采樣速率為200 k/s。ADC12擁有16個(gè)保存轉(zhuǎn)換結(jié)果的寄存器，可以由軟件進(jìn)行獨(dú)立訪問(wèn)和配置通道以及參考電壓。此外，ADC12提供4種轉(zhuǎn)換模式：?jiǎn)瓮ǖ绬未无D(zhuǎn)換、系列通道單次轉(zhuǎn)換、單通道多次轉(zhuǎn)換、多通道多次轉(zhuǎn)換。

22 信號(hào)調(diào)理電路

整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路由輸入保護(hù)和緩沖電路，前置放大電路，高、低通濾波電路，隔離放大電路，陷波器，主放大電路，電平抬升電路等組成，如圖2所示。

輸入保護(hù)部分主要提供足夠大的輸入阻抗，并能防止宏電擊和濾除30 kz以上的高頻干擾信號(hào)，保證心電信號(hào)（02～100 z）完全通過(guò)，而緩沖放大可減小心電信號(hào)的衰減，起到阻抗變換的作用。

由于心電信號(hào)比較微弱、易受干擾，這里使用ADI公司的專用儀表放大器AD620作為前置放大部分的核心器件，AD620具有輸入阻抗高，共模抑制比高等特點(diǎn)，可以滿足心電放大的要求。前置放大輸出的信號(hào)經(jīng)高、低通，工頻濾波，有效濾除了工頻干擾、直流和低頻[LL]分量，并采用BURR[CD2]BROWN的隔離放大器IO122進(jìn)行信號(hào)隔離，有效抑制了模擬部分和數(shù)字部分的串?dāng)_。最后經(jīng)主放大和電平抬升，送入ADC12進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

23 UB接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用飛利浦公司的PDIUBD12芯片作為UB接口芯片。PDIUBD12符合通用串行總線UB 11規(guī)范，是一款高性能的并行UB接口芯片，它集成了IE，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器和電壓變換器，并由IE完成UB協(xié)議層，并完成高速硬件連接，無(wú)需軟件干預(yù)［3］。

由MP430F149與PDIUBD12構(gòu)成的UB接口電路如圖3所示。PDIUBD12的8位并行數(shù)據(jù)接入F149的P口，傳輸數(shù)據(jù)或命令。PDIUBD12的A0接F149的P42引腳，作為PDIUBD12的數(shù)據(jù)或命令選擇線。當(dāng)A0為低電平時(shí)，F(xiàn)149向PDIUBD12發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)A0為高電平時(shí)，向PDIUBD12發(fā)送命令。PDIUBD12的IN_N引腳接F149的P12引腳，供MCU查詢是否接收到上位機(jī)的數(shù)據(jù)或命令，并結(jié)合D12_WR和D12_RD引腳實(shí)現(xiàn)F149與PDIUBD12的數(shù)據(jù)交換。需要注意MP430F149的P12是邊沿觸發(fā)中斷，而PDIUBD12的IN_N是電平觸發(fā)中斷，所以需要計(jì)時(shí)器imer B產(chǎn)生一個(gè)00 kz的PWM方波信號(hào)，D12中斷引腳信號(hào)與該信號(hào)相“或”以后輸出到F149的P12。此外，PDIUBD12的GL_N接LED來(lái)對(duì)其控制，當(dāng)UB設(shè)備接入PC機(jī)時(shí)，LED亮，而數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行時(shí)，LED不斷閃爍。[FL)]

3 胎兒心電圖儀的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制程序、UB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和PC機(jī)應(yīng)用程序。

31 單片機(jī)控制程序

單片機(jī)控制程序固化在單片機(jī)內(nèi)，完成胎兒心電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的功能。它包括A/D采樣程序、UB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備命令程序、數(shù)據(jù)傳輸程序。

胎兒心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采樣數(shù)據(jù)直接經(jīng)過(guò)UB總線傳送到計(jì)算機(jī)，其中數(shù)據(jù)傳輸程序工作于前臺(tái)，A/D采樣程序由中斷驅(qū)動(dòng)、工作在后臺(tái)，A/D采樣程序的流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)的復(fù)位方式、時(shí)鐘源及各I/O端口的配置。設(shè)計(jì)中采用外部時(shí)鐘源，頻率為8 Mz，A/D轉(zhuǎn)換采用內(nèi)部參考電壓2 V。MP430F149的ADC12模塊提供4種轉(zhuǎn)換模式：?jiǎn)瓮ǖ绬未无D(zhuǎn)換、系列通道單次轉(zhuǎn)換、單通道多次轉(zhuǎn)換、多通道多次轉(zhuǎn)換。根據(jù)胎兒心電提取算法的需要，選擇3路標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)及一路腹部導(dǎo)聯(lián)作為提取胎兒心電的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，即同步采集四個(gè)通道，并采用序列通道單次轉(zhuǎn)換模式。系統(tǒng)中，從MP430F149 2 kB RAM區(qū)為A/D采樣程序分配1 kB作為保存采樣數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，并分為2部分：采樣緩沖區(qū)和傳輸緩沖區(qū)，它們分別被中斷驅(qū)動(dòng)的A/D采樣程序和前臺(tái)工作的數(shù)據(jù)傳輸程序使用。程序中定義2個(gè)指針amplePointer（P）和ransferPointer（P）來(lái)管理和訪問(wèn)這2部分?jǐn)?shù)據(jù)緩沖區(qū)，從而通過(guò)2個(gè)緩沖區(qū)功能的切換保證了無(wú)丟點(diǎn)連續(xù)數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)傳輸程序負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)地把采樣數(shù)據(jù)通過(guò)UB總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，它工作于前臺(tái)。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備命令處理程序響應(yīng)UB協(xié)議定義的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備命令，完成UB設(shè)備枚舉過(guò)程，它由數(shù)據(jù)傳輸程序調(diào)用執(zhí)行［4］。

32 UB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

UB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一種典型的WDM (Windows Driver Mode)驅(qū)動(dòng)程序，需要專門(mén)的開(kāi)發(fā)工具，目前應(yīng)用廣泛的工具主要有2類：一類是Microsoft公司[LL]提供的Windows DDK，另一類是采用第三方軟件公司提供的生成工具，如Compuware Numega公司的Driverstudio。由于DDK基于匯編語(yǔ)言的編程方式和內(nèi)核模式的調(diào)用，對(duì)沒(méi)有深厚O原理和編程水平的人員來(lái)說(shuō)，任務(wù)相當(dāng)艱巨，因此設(shè)計(jì)中采用Driverstudio 32開(kāi)發(fā)工具。它是一個(gè)大的開(kāi)發(fā)工具包，包含VtoolsD，oftICE和Driver Works等開(kāi)發(fā)工具。這里選用DriverWorks開(kāi)發(fā)工具，它以面向?qū)ο蟮乃枷胪耆庋bDDK的所有庫(kù)函數(shù)，通過(guò)DriverWorks提供的類，可以非常輕松的編寫(xiě)出一個(gè)WDM驅(qū)動(dòng)程序，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期、降低了開(kāi)發(fā)難度。

33 PC機(jī)應(yīng)用程序

PC機(jī)客戶端應(yīng)用程序是系統(tǒng)與用戶的接口，它通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與胎兒心電數(shù)據(jù)采集器硬件連接，從硬件讀取采樣數(shù)據(jù)，從而完成對(duì)外設(shè)的控制和數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)應(yīng)用程序是在VC++60環(huán)境下開(kāi)發(fā)，主要完成對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)，控制整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程的進(jìn)行、停止，以及后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于MP430和UB的胎兒心電圖儀的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能可靠，且便于后續(xù)開(kāi)發(fā)的升級(jí)擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)胎兒心電的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。設(shè)計(jì)基于PC[CD2]UB設(shè)備、主從結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，可以利用PC強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，網(wǎng)絡(luò)通信功能等，同時(shí)再構(gòu)成龐大的信息系統(tǒng)。因此，它是一種極其有效的胎兒心電檢測(cè)手段，有著廣泛的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］王美華胎兒心電圖的檢測(cè)與分析［J］桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998(2):26[CD2]29

［2］exas InstrumentsMP430x14x Mixed ignai Microcontroller2001

［3］PhilipsPDIUBD12 Data heetPhilips Inc，2001

［4］2001 PhilipsFirmware Programming Guide for PDIU[CD4]BD122001

［］沈建華，楊艷琴，翟驍曙MP430系列16位超低功耗單片機(jī)實(shí)踐與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］北京:清華大學(xué)出版社，200

［6］周立功PDIUBD12 UB固件編程與驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)［M］北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003

［7］韓曉剛，呂彭民基于MP430和UB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］電子產(chǎn)品世界，200(8)：10[CD2]107

［8］席濤UB心電采集系統(tǒng)的研制及從心電圖提取呼吸信號(hào)的方法探討［D］西安：第四軍醫(yī)大學(xué)，200