基于MSP430的低功耗便攜式心電儀的設計

心電圖是心臟疾病診斷的重要工具之一，目前在醫院臨床中有廣泛的應用，給醫生診斷病癥帶來(lái)很大的幫助。傳統的心電儀雖能有效地監測心電、降低心臟病患者的死亡率 ,但不能對患者進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監護，而且存在體積大、功耗高、攜帶不便等缺點(diǎn)。鑒于此，本文設計了一種結構簡(jiǎn)單、性能穩定、可靠的便攜式心電儀，能夠在家庭、野外等一些場(chǎng)所對心電進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，具有廣泛的應用前景[1]。

1 系統硬件結構及原理

低功耗便攜式心電儀由MSP430F169、心電信號采集調理電路、液晶顯示模塊、數據存儲模塊、按鍵輸入模塊等組成，如圖1所示。

通過(guò)以標準導聯(lián)方式I和人體相連的電極取得的心電信號，因為環(huán)境中存在各種干擾(人體自身的肌電干擾，外部的工頻干擾等)，所以必須經(jīng)過(guò)模擬放大電路的放大、濾波等調理之后才可進(jìn)入MSP430F169單片機，利用單片機內部的A/D模塊對模擬信號進(jìn)行模數轉換，然后存儲數據，并在液晶屏上顯示，觀(guān)察者可以直觀(guān)地看到心電信號波形和每分鐘心跳的次數。系統采用SD卡來(lái)存儲采集的數據，采集的心電信號數據可以長(cháng)時(shí)間存儲，這對于心電信號異常且有偶發(fā)性的病人具有重要價(jià)值。系統還可以通過(guò)串口把采集的心電信號實(shí)時(shí)傳輸到上位機，由上位機顯示并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

1.1 微控制器

微控制器采用TI公司的MSP430F169單片機，它是一款低功耗單片機，當所有器件均采用低功耗模式工作時(shí)，總功率不到1 W，RAM 數據保持方式下耗電僅 0.1 ?滋A，活動(dòng)模式下耗電250 μA/MIPS，特別適合于便攜式設備；片內集成有12 bit A/D轉換模塊，4種轉換模式，轉換速度最快達到200 Kb/s，足以滿(mǎn)足心電采集的要求[2]。

1.2 心電信號調理電路

心電信號調理電路是本系統的重要環(huán)節之一，主要由前置放大、高通濾波、50 Hz陷波、低通濾波和后級放大電路組成，如圖2所示。因為體表ECG心電儀一般只有0.05 mV~5 mV，具有微弱和易受干擾等特點(diǎn)， 因此，采用高輸入阻抗、高共模抑制比的差分放大電路進(jìn)行前置放大，以增大輸入阻抗、減少共模信號干擾；帶通濾波電路主要由高通濾波器和低通濾波器組成，通頻帶為0.5 Hz~100 Hz，濾除心電頻率范圍以外的干擾信號；50 Hz 陷波處理器濾除工頻干擾；后級放大器將ECG信號進(jìn)一步放大100倍左右到合適范圍，然后輸出到核心控制器MSP430F169的A/D模塊。


1.3 數據存儲模塊

本系統中使用SD卡存儲采集的心電信號數據。SD卡是一種體積小、容量大、性?xún)r(jià)比高、訪(fǎng)問(wèn)接口簡(jiǎn)單的存儲卡，具有低功耗、非易失性等特點(diǎn)，被大量應用于數碼照相機、手機等便攜式設備中。使用SD卡可將心電數據傳送到功能更強大的PC機中進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，其接口電路如圖3所示。其中，DAT0～DAT3為數據線(xiàn)，CMD為命令線(xiàn)，CLK為時(shí)鐘線(xiàn)，為存儲模塊提供時(shí)鐘，CD_SW用于控制SD卡的熱插撥。

MSP430F169的P1.1～P1.5連接5個(gè)獨立按鍵，其中4個(gè)用于調整心電波形顯示的周期和幅值，1個(gè)用于串口數據發(fā)送。

2 軟件系統設計

系統軟件部分是在IAR430開(kāi)發(fā)平臺下進(jìn)行開(kāi)發(fā)調試完成的。IAR430是專(zhuān)門(mén)為T(mén)I公司的MSP430單片機而設計的一款開(kāi)發(fā)軟件，它提供了工程管理、程序編輯、代碼下載、軟硬件調試等幾乎所有的功能[3]。

系統流程圖如圖5所示。首先系統進(jìn)行初始化(包括看門(mén)狗、系統時(shí)鐘、I/O口、UART1、ADC12、TimerB及LCD等初始化)，開(kāi)總中斷后系統進(jìn)入主循環(huán)體，當采集滿(mǎn)一屏數據時(shí)，主循環(huán)體內進(jìn)行心電波形的刷新顯示；不滿(mǎn)一屏數據時(shí)，進(jìn)入低功耗狀態(tài)。A/D采集用中斷方式，系統的采樣頻率通過(guò)定時(shí)器控制，5個(gè)獨立按鍵采用中斷方式，通過(guò)軟件延時(shí)消除按鍵抖動(dòng)。


2.1 低功耗設計

由于MSP430單片機是專(zhuān)為低功耗設計的，所以本系統的程序部分按照其低功耗方案設計。除了心電波形顯示、擦除這種必要步驟在大循環(huán)內運行外，其余的(包括A/D轉換程序、定時(shí)器采樣頻率、按鍵)全部采用中斷方式，只有事件觸發(fā)時(shí)才運行；而在主程序設計中只有在采集完一屏數據之后才運行心電波形顯示，其余時(shí)間全部進(jìn)入LPM1低功耗模式；數據的存儲不經(jīng)MCU，直接利用MSP430F169內部的DMA模塊實(shí)現數據傳輸。這一設計方法大大降低了系統的功耗[4]。

2.2 系統各子程序設計

（1）A/D部分

MSP430F169的P6.0～P6.7為A/D復用口，本系統采用P6.4，即A4作為A/D的輸入口，采用單通道多次轉換方式。A/D轉換采用中斷方式，中斷子程序內只編寫(xiě)一條語(yǔ)句，即關(guān)A/D中斷，不進(jìn)行其他任何操作，以使A/D最高采樣頻率達到理想狀態(tài)。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）定時(shí)器中斷部分

系統的采樣頻率由定時(shí)器控制，并由按鍵對頻率進(jìn)行縮放，定時(shí)器采用子系統時(shí)鐘、8分頻(系統時(shí)鐘為8 MHz)。定時(shí)器亦采用中斷方式，中斷子程序內對A/D轉換后的值進(jìn)行存儲，并查詢(xún)是否采集完一屏數據，如果采集滿(mǎn)屏，即關(guān)閉定時(shí)器中斷和A/D中斷，然后滿(mǎn)屏標志位置1，退出低功耗模式，退出中斷[5]。中斷子程序如下：
#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；//先關(guān)閉定時(shí)器B
ADC12IE =~BIT4；//關(guān)ADC中斷
collect_a_screen=1；//滿(mǎn)屏標志位置1
LPM1_EXIT；//退出低功耗模式
}
else ADC12IE |= BIT4;//開(kāi)ADC中斷
}

（3）SD卡部分

采集的數據通過(guò)MSP430F169內部集成的DMA模塊傳送到SD卡內。DMA選用通道0，觸發(fā)方式為ADC12IFG4，按字節發(fā)送。SD卡的操作以命令方式進(jìn)行，所有的命令都由主機主動(dòng)發(fā)送，SD卡根據不同的命令做出不同的響應。其應答流程如圖6所示。


3 應用與注意事項

用本系統采集人體心電，經(jīng)驗證，能夠在LCD屏上正確顯示出如圖7所示的人體的心電波形，并能通過(guò)串口或SD卡將采集的數據傳送到上位機進(jìn)行進(jìn)一步顯示分析。本系統設計時(shí)需要注意：MSP430F169默認是關(guān)閉中斷嵌套，所以用到中斷嵌套時(shí)，進(jìn)入中斷子程序后應首先打開(kāi)總中斷，這樣才能執行嵌套中斷；在LCD上畫(huà)心電波形時(shí)，應采用分列式，即擦一列畫(huà)一列，這樣才能保證心電波形穩定顯示。

本文從家用便攜式心電儀的特點(diǎn)出發(fā)，設計了一款功能適當、功耗極低并且價(jià)格低廉適用于家庭保健用的心電儀。同傳統的數據采集系統相比，本系統采用低功耗微控制器MSP430F169，在軟件設計中通過(guò)低功耗設計，大大降低了系統功耗，而且性能穩定、可靠，設計過(guò)程簡(jiǎn)便，降低了成本，具有廣泛的應用價(jià)值。