基于MSP430F149單片機的心電信號數據采集系統的設計與研究

侯惠亮，李國俠，龐浩，包百鳴

華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院 器材科，湖北 武漢 430030

基于MSP430F149單片機的心電信號數據采集系統的設計與研究

侯惠亮，李國俠，龐浩，包百鳴

華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院 器材科，湖北 武漢 430030

目的設計一種低成本的便攜式心電信號數據采集系統，實現長時間對心電信號進行采集與存儲。方法對采集的心電信號進行放大、濾波、電平提升和模數轉換后存儲于Flash存儲器，再通過液晶顯示器顯示實時心電波形。結果本系統可實現對心電信號進行長時間的數據采集和記錄。結論本系統對于臨床和患者應用都具有一定的實用價值。

心電信號采集系統；心電監護系統；心電信號；MSP430F149單片機

心臟病已成為危害人類健康的主要疾病之一。據統計，世界上每年平均有幾百萬人死于心血管疾病，因此，對心血管疾病的診斷、治療一直被世界各國醫學界所重視。及時了解患者心臟病的狀況，對于適時治療及預防心臟病突發死亡具有十分重要的意義。常規心電圖可以記錄 6～100個心動周期，歷時幾秒至 1 min 左右，只能獲取少量心臟狀態的信息。正常人 24 h 心搏次數達 10 萬次以上，要在有限的時間內，記錄發生心率失常的概率是比較低的，尤其是一些陣發性心率失常，即使病人有自覺癥狀，但在做常規心電圖檢查時也難以捕獲[1]。

傳統的心電監護系統雖然能夠有效地減少心臟病患者的死亡率，但不便對眾多的心臟病患者在日常生活中進行長時間的實時監護。而隨身攜帶的便攜式心電監護儀由于記錄心電信號的有限性及昂貴的費用，也未能在我國得到很好的普及[2]。為此，本文研究一種便攜式低成本、可存儲大規模心電信號的動態心電監護系統具有實用意義。

1 MSP430F149單片機簡介

基于微型化、便攜式和低功耗設計的考慮，動態心電監護系統采用 MSP430F149 單片機作為硬件電路控制、數據處理及傳輸的核心部件。該單片機是美國德州儀器公司推出的 MSP430 系列中功能最強的單片機，包含的組件有：① 基礎時鐘模塊，包括 1 個數控振蕩器和 2 個晶體振蕩器；② 看門狗定時器 ；③ 2 個帶有捕捉 /比較寄存器的 16 位定時器 ；④ 2 個具有中斷功能的 8 位并行端口 P1 和 P2 ；⑤ 4 個 8 位并行端口 P3～P6 ；⑥ 模擬比較器 ；⑦ 10 位 A/ D 轉換器 ；⑧ 2 通道串行通信接口 ；⑨ 1 個硬件乘法器 ；⑩ 60 kB+256B FLASH、2 kB RAM。該單片機功耗低、體積小、外圍模塊十分豐富，非常適合于設計微型化、低功耗產品[3]。

2 系統結構

心電信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱生物電信 號， 幅 值 一 般 在 1 mV 左 右， 頻 率 范 圍 主 要 集 中 在0.05～100 Hz[4]。 本 系 統 由 心 電 電 極、 心 電 信 號 采 集 電 路、MSP430F149 單片機、電源管理模塊、外接 Flash 存儲器及液晶顯示模塊和 USB 接口電路組成。其中心電信號采集電路包括心電信號的放大、濾波及陷波等，是獲取模擬心電信號的關鍵電路。整機方框圖，見圖1。

圖1 整機框圖

3 硬件設計

心電信號經心電電極從人體獲取后送入前置放大電路進行放大處理。在對各干擾信號進行一定抑制后送入帶通濾波電路濾除心電頻率范圍以外的信號，再由主放大器進一步放大到合適的范圍，經陷波器濾除工頻干擾后，即可獲取有效的心電模擬信號。

3.1 前置放大電路

前置放大電路是心電數據采集的關鍵環節。人體心電信號十分微弱，噪聲背景強、信號源阻抗大。因此，前置放大器要具備高輸入阻抗和高共模抑制比、低噪聲、低漂移及合適的頻帶和動態范圍等特性。本設計采用儀表放大器 AD620作為前置放大器，它具有低輸入偏置電流、低噪聲、高精度及低功耗等特性，其增益（G）可調，由公式 (1)來確定[5]。

本設計電路可通過 U3將 R2、R3上的人體共模信號檢測出來用于驅動導線屏蔽層，以消除分布電容，提高輸入阻抗和共模抑制比。U4、R5、R6、C1構成的浮地驅動電路可將人體共模信號倒相放大后用于激勵人體右腿，從而降低共模電壓，抑制 50 Hz 工頻干擾。U1、U2用于穩定輸入信號和提高輸入阻抗，提高共模抑制比。其電路見圖2。

圖2 前置放大電路圖

3.2 帶通濾波及主放大電路

帶通濾波由雙運放集成電路 OP2177 構成。OP2177 具有高精度、低偏置、低功耗等特性，可組成各類放大和濾波電路。心電信號的頻帶主要集中在 0.05～100 Hz，將雙運放集成電路 OP2177 分別設計為二階有源高通和低通濾波電路，從而合成帶通濾波電路。由 U6A、C6、C7、R8、R9構成高通濾波器，其截止頻率接近由 U6B、C8、C9、R10、R11構成低通濾波器，截止頻率接近。主放大電路由 U7、OP1177、R12和R13構成，放大倍數設計接近 100 倍，即 。其電路見圖3。

圖3 帶通濾及主要放大電路圖

3.3 帶阻濾波與電平提升電路

為了濾 除 50 Hz 工頻干擾， 電路中設計了帶 阻濾波器。帶阻濾波器的帶寬越窄 ,品質因數 Q 越高 ,則濾波器的抑制選擇性就越好。陷波頻率由計算得到，而Q值由公式決定，陷波的深度由放大器的正向輸入端的電壓決定， 即 電 阻 R14和 R17的 比 值。 選 取 C10＝ C11＝ 33nF、R15＝ 10 kΩ、R16＝ 1 MΩ，則可算得 Q 值 =5，陷波頻率≈ 50 Hz。

經放大后的心電信號有負電平，而 MSP430F149 的 A/ D 轉換器定義的最低轉換電壓為 0 V。為了保證 A/D 轉換時不出現負峰失真，必須把心電信號經過一個電位提升電路，使得心電信號的電平值都為正值[6]。其電路，見圖 4。

圖4 帶阻濾波與電平提升電路圖

3.4 A/D轉換及數據存儲電路

由于心電信號的頻率范圍主要集中在 0.05～100 Hz，依據奈奎斯特采樣定律，采樣頻率選取 200 Hz，采用逐次比較逼近原理進行 A/D 轉換，從而可將心電模擬信號轉換為 10位精度的數字信號。為實現大規模心電信息的存儲，本系統采用 8 個 45DB321 芯片組成 Data flash 存儲器，最大容量可達 32MB。單片機與 45DB321 芯片采用 SPI方式通信，通過片選 CS0～CS7 分別連接到各 45DB321 的 CS端，時鐘 SCK 只對被選中的 45DB321 有效。存儲器電路，見圖 5。圖中只畫出一片存儲器，各自的 CS 片選信號由74HC138 譯碼給出[7]。

圖5 存儲器電路連接圖

3.5 USB接口電路

由 于 MSP430F149 單 片 機 片 內 無 自 帶 的 USB 接 口 功能，而本系統采集到的大規模心電數據需借助計算機進行分析研究，因此 MSP430F149 單片機需通過電路設計來實現 USB 接口功能。本系統采用外接 CH375 芯片來實現此項功能，具體電路，見圖 6。從而實現計算機對 Data flash 存儲器中的數據進行讀取的功能[8]。

圖6 USB接口電路圖

3.6 液晶顯示模塊

為了提供人機界面,增強實用功能，本系統采用了圖形點陣液晶顯示器顯示心電波形。該液晶顯示器由 192×64點陣組成，可以顯示圖形、數字和漢字。液晶顯示器供電電壓為 +5 V，液晶顯示器驅動模塊整合在液晶顯示器電路板內，使用起來較為方便[9-10]。

4 軟件設計

系統軟件使用匯編語言編程，采用模塊化結構。首先進行初始化設置，啟動采用定時器溢出的方式。主要由模數轉換、數據存儲及處理、結果顯示模塊等組成，便于修改和維護。程序流程，見圖7。

圖7 系統軟件流程圖

5 結果與討論

本系統前置放大器選用了儀表放大器 AD620，實現了低噪聲、低漂移、高輸入阻抗、高共模抑制比。設計的心電信號放大總增益為 980 倍，共模抑制比為 97.9 dB，輸入阻抗為 180 M?，頻 帶寬為 0.05～100 Hz，符合設計要求。在電路結構上采用了右腿驅動電路和共模信號驅動屏蔽線等方法，有效地抑制了 50 Hz工頻干擾。本設計的帶阻濾波與電平提升電路使Q 值從 3提高到5，進一步濾除了工頻干擾，降低了電路的功耗。由于采用了 MSP430F149 的一個 SPI 串 行 接口及串行 Flash 存 貯 芯 片 AT45DB321，解決了大容量數據的存貯，最高可達 32 MB。本系統數據傳輸采用 USB 接口電路，可實現計算機對 Data flash 存儲器中數據進行讀取的功能。

這套心電信號數據采集系統體積小、功耗低、成本少，便于攜帶，使用方便。測量時可以通過液晶顯示直觀地查看心電波形，又可以連續、動態地進行長時間監測。外置Data flash 存儲器和 USB 接口功能實現了心電信號數據的大量存貯和便利傳輸，從而使本系統為臨床大規模心電信號數據的采集及存貯提供了一定的實用價值。如果對本系統進一步完善，增加對采集的心電數據進行臨床分析并給出分析結果，設置相應的報警系統，則本系統或可升級為心電監護系統。

[1] 鄧親愷．現代醫學儀器設計原理[M]．北京:科學出版社,2001．

[2] 王亮．基于DSP的心電監護系統的設計與開發[D]．山東大學,2010．

[3] 胡大可．MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用[M]．北京:北京航空航天大學出版社,2000．

[4] 周玉珍．簡明心電圖手冊[M]．北京:人民軍醫出版社,2002．

[5] Low cost,low power instrumentation amplifier AD620[EB/OL] (2011-01-18)[2013-01-13]．http://eelab．sjtu．edu．cn/dzsy/xp/ AD620．pdf．

[6] 曹細武,史亞軍,鄧親愷,等．微型心電、呼吸監護系統的研制[J]．中國醫療器械雜志,2001,(5):249-252．

[7] 楊琦,劉大茂．一種用于監護儀的心電信號采集接口調理方法[J]．福州大學學報,2003,(2):156-159．

[8] 孫上鵬．心電信號采集及無線傳輸系統的設計[D]．北京:北京交通大學,2009．

[9] 蔣廬俊,楊李萍,陳會,等．基于MSP430FG439超低功耗MCU便攜式心電監護儀的研究[J]．大眾科技,2010(10):48-50．

[10] 王勝軍,艾育華,鄭峰,等．心電數據轉換與遠程傳輸的方法研究[J]．中國醫療設備,2012,27(12):44-46．

Design and Research of Data Collecting System of Electrocardio-signal by MSP430F149 Single Chip

HOU Hui-liang, LI Guo-xia, PANG Hao, BAO Bai-ming
Department of Equipment, Tongji Hospital of Tongji Medical College of Huazhong University of Science & Technology, Wuhan Hubei 430030, China

ObjectiveTo design a portable and low cost system which can collect and store dynamic data of electrocardio-signal for a long time.MethodsThe electrocardio-signal will be magnified, filtered, elevated and converted to digital signals, and then be registered in Flash memories. Also the real-time cardiograph can be displayed by LCD.ResultsThis system can collect and register dynamic data of electrocardio-signal for a long time.ConclusionThis design has practical value for clinic and patients.

collecting system of electrocardio-signal; monitoring system of electrocardio-signal; electrocardio-signal; MSP430F149 single chip

TH772+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.11.010

1674-1633(2013)11-0031-03

2013-04-26

2013-05-22

本文作者：侯惠亮，碩士，主管技師。

作者郵箱：houhl01@163．com