基于MSP430F5529及CC2540的智能型低功耗心電監測儀

【作　者】龔　元，曹　瑾，羅澤惠，周國輝

復旦大學電子工程系，上海市，200433

基于MSP430F5529及CC2540的智能型低功耗心電監測儀

【作者】龔元，曹瑾，羅澤惠，周國輝

復旦大學電子工程系，上海市，200433

該文提出了一種智能低功耗心電監測儀的設計方案。該設計應用最新的低功耗單片機技術和藍牙4.0標準，能在極低的功耗下實現監測儀與多平臺智能設備的交互。醫用拓展端可以實現顯示心電圖及心率曲線、讀取已存儲的異常心電圖、調節報警閾值等功能，適合醫生隨訪時使用。

心電監測；低功耗；智能設備；MSP430F5529；CC2540

0　引言

世界衛生組織發布的《2014年全球非傳染性疾病現狀報告》顯示，全球每年約有1 750萬人死于心血管疾病，占全球每年死亡總數的31.25%[1]。我國的心電監護設備普及率僅為20%，遠低于發達國家80%的水平[2]。常規的心電監護設備往往價格較高、攜帶不便、操作復雜，因此，設計一種低成本、低功耗、易使用的心電監測設備，具有重要的應用價值和現實意義。

不少學者已經做了很多相關的研究[3-6]。然而，這些研究的設計方案普遍存在以下的問題：①信號采集的抗干擾能力較弱；②未采用最新的芯片技術，導致外設較多，從而難以實現低功耗；③需要連接電腦進行信號分析，且僅配備普通的顯示屏，操作復雜。

本文提出了一種新穎的設計方案：通過高性能模擬前端放大電路采集心電信號，選用高集成、低功耗的TI公司MSP430F5529單片機，配合合理的算法準確計算出實時心率并顯示，對于異常心電波形進行監測、報警并存儲。外設則包括TI公司CC2540 BL E4.0藍牙模塊和觸摸式醫用拓展端等。通過藍牙模塊，監測儀可與智能設備(iOS或Android操作系統)交互。觸摸式醫用拓展端適合醫生在隨訪時使用，它具有實時顯示心電圖和心率曲線、讀取存儲在單片機內的異常心電圖、調節報警閾值等功能。本方案具有低功耗、低成本、高精度、抗干擾、多功能、易操作、易攜帶等特點，大大方便了用戶進行心率檢測和心電監護。

1　方案設計及實現

本方案的系統框圖如圖1所示，大致可以分為三個部分：前端放大電路、單片機控制系統、外部設備。

圖1　方案的硬件系統框圖Fig.1　Hardware block diagram of the system

通過紐扣電極采集到心電信號后，在前端放大器內將幅度較小、干擾較大的信號進行放大和濾波。單片機控制系統一方面將信號進行模數轉換并計算心率，另一方面控制外部設備的工作。外部設備包含藍牙收發模塊、醫用拓展端、段式液晶屏、蜂鳴器，可以實現與智能設備的交互、監測儀參數的調節、報警及顯示等多種功能。

除了醫用拓展端，系統的其它功能模塊均由3.7 V鋰電池供電。

1.1前端放大電路

為了將信號較好地放大調理并保持較低的功耗，系統采用TI公司TPS73033線性穩壓電源芯片和INA826、OPA4330等低功耗高精度運算放大器；采用單端供電方案，最低供電電壓可以低至2.7 V。

前端放大電路的設計如圖2所示。按標準I導聯方式，通過紐扣電極采集心電信號后，經過儀表放大器INA826的前級放大，并加入右腿驅動電路以抑制共模干擾。然后使用低通、高通濾波器將頻帶限制在心電信號的主要頻譜范圍0.01 ～ 100 Hz，并特別注意濾除50 Hz工頻干擾。最后再經過500倍放大，使得信號動態范圍適合MSP430F5529自帶的ADC，以獲得較好的模數轉換精度。

圖2　前端放大電路圖Fig.2　Front-end amplifier circuit

1.2單片機系統

MSP430系列單片機是TI公司于1996年開始推出的超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的16 bit混合信號處理器。與其他單片機相比，該系列單片機具有超低功耗、片上外設豐富等優勢，非常適合低速心電信號的處理[7]。

本系統選擇MSP430F5529作為控制芯片。在MSP430系列芯片中，采用MSP430F5529不但能滿足功能要求，整體的功耗和成本也是較低的。這是因為：① MSP430F5529內置一個12 bit ADC，完全能滿足本系統所需要的精度，省去外置ADC的開銷；②MSP430F5529內置3個DMA通道，使得數據不需要經過CPU即可在各外設間傳輸，極大地降低CPU的工作時間，從而降低功耗；③ MSP4305529有較高的頻率及存儲器，這個優勢在存儲異常心電波形時將得到充分的體現，也省去外部存儲器的開銷。

1.2.1接口設計

MSP430F5529集成了豐富的片上外設，包括12 bit ADC、3通道DMA和4個通信接口USCI等，為心電信號的處理提供了極大的便利。模擬前端放大濾波后的心電信號可直接送入單片機，由片上ADC進行采樣。參照美國AHA心電數據庫，兼顧波形的完整性及數據量的大小，ADC的采樣率取為250 Hz。模數轉換結果經DMA通道直接按順序存入一塊連續的存儲器中。DMA通道采用重復單次傳輸模式，當存儲數據到達1 000點即4 s時，DMA觸發中斷，喚醒CPU進行心率計算。計算結果經通信接口發送出去，緩沖器中的數據也是通過另一個DMA通道自動傳送的。

1.2.2算法設計

關于心率測量，簡單的計算思路是在一段心電信號中檢出R波并計算其間隔。R波檢測算法已經比較成熟[8]，但是大都較為復雜，需要占用較多的單片機資源。為減少單片機資源占用率并降低功耗，設計了一種心率計算算法。該算法針對不同幅度的信號、噪聲干擾、基線漂移具有一定的魯棒性，且計算量較小。算法流程如圖3所示，具體步驟為：

圖3　心率計算流程圖Fig.3　Flowchart of heart rate computing

(1) 差分運算 心電信號的R波具有峰值高、斜率陡峭等顯著特點。利用差分運算有效地濾除低頻噪聲，糾正基線漂移，從而在R波波峰處形成極值點，可以突出R波的以上特征。

(2) 均值濾波 采集到的心電信號帶有高頻噪聲，差分運算也會引入高頻成分，采用均值濾波可將其去除。其中，窗口尺寸根據調試的經驗取為9點。

(3) 閾值計算 取該段信號中最大峰值的0.6 ～ 0.8作為閾值。

(4) 檢測R波 將同時滿足極大值和超過閾值兩個條件的點判為R波波峰。

(5) 心率計算 根據R波波峰位置，計算出平均R波間期，據此計算一分鐘的心跳次數。

1.3 外部設備

為方便使用，本系統設計了豐富的外部設備。使用段式液晶及蜂鳴器等基本外設實現顯示、報警等簡單功能。段式液晶具有體積小、功耗低、配置簡單、不占用資源等優勢，只需在每次完成計算后將心率結果進行刷新。蜂鳴器可在心率超過閾值時報警。此外，還可以通過藍牙通訊模塊與智能手機交互，或通過串口連接到醫用拓展端。在整個心電監測系統中，每個外設之間相互獨立，在程序中可分別設置開啟或關閉。

1.3.1藍牙通訊模塊

近年來，智能手機、平板電腦等智能設備的應用越來越普及，本系統利用藍牙模塊實現心電監測儀與智能設備的交互。通過基于藍牙4.0的通訊模塊，用戶可以在智能手機上方便地查看自己的心率情況，并將心率曲線遠程發送給醫生。從功耗的角度來看，這樣的設計允許監測儀本身不用顯示，可以大幅降低功耗。

藍牙4.0協議是2010年6月發布的最新標準。由表1可以看到，藍牙4.0相對于藍牙2.1/3.0具有以下優勢：① 發送數據時間極短；②最大操作電流僅為前代的一半，綜合耗電量僅有藍牙2.1/3.0的1% ～ 50%。藍牙4.0有兩種模式：Bluetooth Low Energy（BLE）模式，只能與4.0協議設備通信，適用于節能且僅收發少量數據的設備；Basic Rate / Enhanced Data Rate（BR/EDR）模式，向下兼容，適用于收發數據較多的設備[9]。為實現低功耗設計，本方案采用BLE 4.0。

表1　藍牙4.0與藍牙2.1/3.0的主要參數Tab.2　Main parameters of Bluetooth 4.0 and Bluetooth 2.1/3.0

CC2540是TI公司的藍牙4.0智能無線微處理器，它支持4種發射功率選擇：2.51 mW、1 mW、0.251 mW和0.005 mW，有效通信距離分別為30米、10米、7米和3米。為保證較為穩定的應用，本方案采用最大的有效通信距離。另外，采用藍牙聯盟規范發布的低功耗藍牙應用Heart Rate Profile(HRP)，使得該芯片可以跨平臺地與智能手機互動而不需要安裝額外的應用[10]。利用MSP430F5529的串口與藍牙模塊進行通訊，設置波特率為19200 Bd，一次發送一個字節。

1.3.2醫用拓展端

本系統的另一個創新是智能化醫用拓展端。利用醫用拓展端，在患者復診或醫生隨訪時，醫生可以將心電監測儀中記錄的異常心電波形讀出，更準確地判斷患者的心臟疾病情況。同時，醫生也可以根據患者的情況調整心電監測儀報警和記錄異常心電的閾值。

醫用拓展端采用廣州大彩光電科技有限公司的DC80480B070觸摸屏實現。該觸摸屏除了顯示與觸摸模塊外，還具備M3 + FPGA的控制模塊，其中M3負責解析指令，FPGA則控制顯示模塊。觸摸屏本身可以用VisualTFT軟件進行圖形化界面的編程，在MSP430上只需通過若干條指令即可實現對觸摸屏的控制。這樣的設計可以提高系統的穩定性，并可以降低CPU的使用率，從而降低功耗。

2　測試結果及分析

2.1心率計算準確度及抗干擾能力

首先使用FLUKE?Prosim 8生理體征模擬器進行測試。調整模擬心電信號的頻率，當心率從30 bpm到360 bpm時，心電監測儀的輸出信號質量始終良好（如圖4所示），且心率計算值與設置值完全一致。這說明系統具有較好的頻率響應，且心率計算方法精確有效。

圖4　系統輸出的心電波形（左：30 bpm，右：360bpm）Fig.4　Output ECG signals of the system (left: 30 bpm, right: 360 bpm)

使用FLUKE?Prosim8分別輸出帶有50 Hz噪聲、呼吸漂移偽差的心電信號（干擾強度均為100%），實驗結果分別如圖5、圖6所示，可見系統能夠有效去除這些干擾，并準確計算出心率值，監測系統具有較強的抗干擾能力。

圖5　當輸入帶有100% 50 Hz干擾時系統的輸入與輸出信號Fig.5　Input and output of the system when adding 100% 50 Hz noise to the signal

圖6　當輸入帶有100%呼吸漂移偽差時系統的輸入與輸出信號Fig.6　Input and output of the system when adding 100% respiration drifts to the signal

對實際人體心電信號進行測試。使用紐扣電極，按標準I導聯方式接入，得到的心電信號如圖7所示，信號上附加的噪聲較小，且P、QRS、T等各個時相的波形能夠清晰顯示。

圖7　接入人體信號時的系統輸出Fig.7　Output signal of the system when tested on the body

2.2智能應用

在Apple iPad mini（iOS操作系統）及Google Nexus 7（Android操作系統）設備上分別安裝TI multitool及Nordic軟件，測試結果如圖8所示。兩臺設備均能自動識別HRP，并準確穩定地顯示心率，且可將心率曲線發送至遠程。

圖8　監測儀與智能設備的連接Fig.8　Interaction between the monitor and smart devices

將醫用拓展端連接至監測儀，通過觸摸屏能夠方便地查看實時心電圖和心率曲線，如圖9所示。也可讀取存儲在單片機內的異常心電圖，調節報警閾值等，達到預期的設計目標。

2.3系統功耗

在單片機系統中，除了心率計算過程外，MSP430F5529在其他時間都處于低功耗模式。這是因為，模數轉換、存儲和通信過程都由片上低速時鐘控制，按照設定的時序各自完成功能，不需要CPU進行任何干預。這種方式確保大部分功能由硬件完成，程序不會被阻塞，CPU只處理與計算相關的任務，利用率達到最高，系統的功耗大大降低。

使用電流表測試心電監測儀的功耗。由于醫用拓展端在應用場景下自帶電源，沒有功耗要求，故不計入功耗。經測試，本系統的功耗為P = 2.0 mA × 3.7 V = 7.4 mW，大約相當于一款市售主流品牌便攜式心電監測儀的1 / 10，且后者不具備藍牙功能。如使用一塊200 mAh的電池，連續使用時間可以達到100 h。

圖9　醫用拓展端的演示Fig.9　Demonstration of the clinical expansion part

3　結語

本文采用TI公司低功耗單片機MSP430F5529及低功耗藍牙4.0片上系統CC2540，提出了一種智能心電監測儀的設計方案，可以實現監測儀與多平臺智能設備的交互，也可以與智能化醫用拓展端連接，供復診或隨訪使用。本監測儀具有低功耗、低成本、高精度、多功能、易攜帶等特點，可以大大方便用戶進行心率檢測和心電監護。在智能設備越來越普及的今天，本設計具有良好的應用前景。

[1] World Health Organization. Global status report on noncommunicable diseases 2014 [R]. Geneva: WHO, 2014.

[2] 智研咨詢集團. 2014-2018年中國心電監護儀市場分析預測與發展趨勢研究報告[R/OL]. http://www.chyxx.com/ research/201404/236274.html.

[3] 蘇維嘉, 張金綱. 低功耗便攜式心電儀的設計[J]. 電子技術應用, 2011, 37(12): 37-39.

[4] 余文琦, 鄧建國, 張鵬輝, 等. 基于Android的低功耗移動心電監控系統設計與實現[J]. 電子世界, 2013(21): 130-131.

[5] 石波, 張根選, 曹陽. 手持式快速心電檢測儀設計[J]. 中國醫療器械雜志, 2013, 37(2): 109-111.

[6] 楊鵬程, 李永勤, 陳碧華. 便攜式家庭心電監護記錄儀的研制[J].中國醫療器械雜志, 2012, 36(5): 329-332.

[7] 沈建華, 楊艷琴. MSP430超低功耗單片機原理與應用[M]. 北京:清華大學出版社, 2013.

[8] 楊建利. 心電信號的R波檢測及自動分析算法研究[D]. 河北大學, 2013.

[9] 歐陽駿, 陳子龍, 黃寧淋. 藍牙4.0 BLE開發完全手冊: 物聯網開發技術實戰[M]. 北京: 化學工業出版社, 2013.

[10] Texas Instruments Corporation. CC2540 Datasheet[EB/OL]. http:// www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2540.pdf

A Smart Low-Power-Consumption ECG Monitor Based on MSP430F5529 and CC2540

【 Writers 】GONG Yuan, CAO Jin, LUO Zehui, ZHOU Guohui
Department of Electronic Engineering, Fudan University, Shanghai, 200433

A design of ECG monitor was presented in this paper. It is based on the latest MCU and BLE4.0 technologies and can interact with multi-platform smart devices with extra low power consumption. Besides, a clinical expansion part can realize functions including displaying the real-time ECG and heart rate curve, reading abnormal ECG signals stored in the monitor, and setting alarm threshold. These functions are suitable for follow-up use.

ECG monitor, low power consumption, smart device, MSP430F5529, CC2540

TH772.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.04.002

1671-7104(2015)04-0240-04

2015-04-09

上海市生物醫藥領域產學研醫合作項目（13DZ1941802）

龔元，E-mail: yuangongfdu@gmail.com

周國輝，博士，講師，E-mail: zhough@fudan.edu.cn