基于MSP430的動(dòng)態(tài)心電圖采集系統設計

動(dòng)態(tài)心電圖是指連續記錄24小時(shí)或更長(cháng)時(shí)間的心電圖，它已經(jīng)成為臨床上廣泛應用的無(wú)創(chuàng )性心血管病診斷手段之一。尤其是常規心電圖檢查正常，但有心臟病癥狀或心率變化與癥狀不相符時(shí)，可以作為首選的無(wú)創(chuàng )檢查方法。此方法為美國人Holter發(fā)明，所以又稱(chēng)為Holter。由于資金、技術(shù)等因素，Holter系統在我國并未得到普及，因此研制一種能夠記錄24小時(shí)全程心電圖的低功耗、便攜式心電圖記錄系統十分必要。

目前該類(lèi)產(chǎn)品存在的主要問(wèn)題在功耗和容量等方面[1]。市場(chǎng)上的動(dòng)態(tài)心電記錄系統普遍采用51系列或DSP，其功耗很大，不能滿(mǎn)足24小時(shí)連續記錄的要求。MSP430具有優(yōu)勢，它自帶12位AD轉換和液晶顯示，在圖1中虛線(xiàn)框中的模塊都是MSP430自帶的，其集成化程度高，更有利于實(shí)現低功耗和便攜式。因此采用MSP430和SD卡的動(dòng)態(tài)心電采集系統十分合適[2]。

1 系統的硬件結構和工作原理

1.1 MSP430 芯片介紹

美國德州儀器公司推出的MSP430系列超低功耗16位混合信號處理器，以16位RISC處理器、超低功耗、豐富的片內外設、JTAG仿真調試定義了新一代單片機的概念。本系統采用的MSP430FG4618是一款優(yōu)秀的片上系統，它自帶12位AD轉換、3個(gè)可編程運放、12位DA同步轉換器、160段LED驅動(dòng)以及UART、SPI、I2C等豐富的外設接口，給系統設計提供了很大的方便。

1.2 系統整體流程介紹

系統整體框圖如圖1所示。系統硬件主要由三部分組成：模擬放大部分、MSP430主處理部分和SD卡存儲部分。系統的工作流程為：由導聯(lián)電極采集人體表面微弱的心電信號，經(jīng)由儀表運放INA321初步放大，再通過(guò)50Hz陷波器濾除工頻干擾；主運放采取MSP430內部的可編程運放，放大100倍，滿(mǎn)足AD轉換的電壓要求；AD轉換結果經(jīng)過(guò)數字濾波消除一些高頻干擾后，一方面直接將數據存入SD卡，另一方面通過(guò)設定閾值判斷QRS波群的到來(lái)，由兩次波群的采樣間隔計算出心率，經(jīng)由LCD顯示。

系統中AD轉換采用MSP430自帶的12位AD，采樣點(diǎn)數設定為500點(diǎn)/s，這樣的采樣速率有利于工頻干擾的數字濾波；MSP430FG4618自帶160段液晶驅動(dòng)，最多可以帶20位的數碼顯示；根據實(shí)際需要選用4位的數碼顯示；存儲系統采用1GB的金士頓SD卡，完全滿(mǎn)足數據量和存儲速度的需要。

1.3 模擬部分電路

儀表運放采用TI公司的INA321，其默認放大倍數為5倍。因為人體皮膚接觸電阻大、共模電壓高等因素，前級運放放大倍數不能太大，否則容易引起飽和，因此設定其放大倍數為5。模擬部分電路如圖2所示。其中點(diǎn)1接參考電壓1.5V，能保證輸出點(diǎn)3的參考電壓也為1.5V。U2和INA321組成一個(gè)積分電路，可以消除由于采集過(guò)程中皮膚接觸阻抗變換引起的基線(xiàn)漂移[2]。U3和R7、C4等電容網(wǎng)絡(luò )組成了低通和陷波電路，其增益為500倍，能將微弱的信號放大到AD轉換需要的1V電壓。

模擬部分整體電路在Multisim10仿真圖形波形中，可以看出此電路的性能完全符合后級AD轉換要求。

1.4 心電信號的存儲設備SD卡

24小時(shí)采集的心電信號數據量計算如下：采樣率500點(diǎn)/s，每個(gè)點(diǎn)用8位表示，則數據量為24×3 600×500=43.2MB。這樣大的數據量可以采用Flash或者移動(dòng)存儲卡的形式存儲?？紤]到SD卡能用讀卡器直接讀入PC機，所以將SD卡作為存儲設備，具體采用金士頓1GB的SD卡作為存儲設備，它在容量和功耗上完全滿(mǎn)足設計需求。

2 系統軟件設計和工作流程

AD轉換后的數據須經(jīng)過(guò)數字濾波消除高頻干擾，再對數據分別進(jìn)行心率計算和存儲。由于MSP430自帶硬件乘法器，因此可以在芯片內部實(shí)現簡(jiǎn)單整系數數字濾波，以提高心率計算的準確度。在存儲時(shí)要滿(mǎn)足FAT16文件系統要求，將FAT表、根目錄、數據區等相應位置寫(xiě)入數值，以便PC機讀取采集到的心電數據。其工作流程如圖3所示。

SD卡的讀寫(xiě)方式有SD方式和SPI方式，這里選擇SPI方式。SD卡上的文件系統基本單位是扇區，格式化時(shí)由操作系統將每個(gè)扇區設置為512B，則采集時(shí)也要在MSP430內部設置一個(gè)512B的緩沖區，寫(xiě)滿(mǎn)后一次性寫(xiě)入SD卡。由于采樣間隔只有2ms，這就要求在2ms內能將一個(gè)扇區的數據寫(xiě)入卡內，不然就會(huì )造成數據的丟失?？梢栽O置SPI總線(xiàn)的時(shí)鐘頻率在8MHz，則存儲512B的數據需要0.5ms，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。

3 FAT文件系統原理

SD卡內部存儲空間以扇區為單位，每扇區512B。在進(jìn)行格式化時(shí)由操作系統決定了每簇含扇區的個(gè)數、保留扇區的個(gè)數、FAT表的位置和根目錄的位置等信息。然后將這些信息寫(xiě)到SD卡的第一個(gè)扇區。

在卡上建立文件必須讀取第一個(gè)扇區的內容，并由此計算出各個(gè)偏移地址。首先計算出FAT表的位置，并將第一頁(yè)FAT表讀入，并檢查是否有空簇。若有則記錄其偏移地址并寫(xiě)到根目錄相應文件屬性中；否則順序讀取下個(gè)FAT頁(yè)面，繼續查找直到最后一個(gè)FAT頁(yè)。在根目錄中每個(gè)文件占32B，內容包括文件名、擴展名、文件起始簇所在位置、文件隱藏歸檔等屬性。

FAT文件系統的結構如圖4所示。

因為心電數據是不斷采集的，所以文件的大小也是不斷增加的，這就是說(shuō)在建立文件時(shí)不可能設定最終的文件大小，要求程序能不斷申請新簇，然后相應修改文件大小。

4 上位機軟件設計

將采集到的心電信號存儲在SD卡上，通過(guò)讀卡器讀入PC機中。先進(jìn)行預處理，經(jīng)過(guò)低通濾波消除工頻干擾、中值濾波消除基線(xiàn)漂移后的結果如圖5所示。

從預處理后的波形可以看出，在采集過(guò)程中產(chǎn)生的基線(xiàn)漂移和50Hz工頻干擾都被消除了，得到的波形完全能反映被測者的心電特征，滿(mǎn)足后級處理的要求。

上位機軟件同時(shí)還有QRS波群的識別功能。算法上采用基于導數的測量方法。首先對預處理后的波形進(jìn)行一階差分并圖像增強，這樣R波的特征會(huì )更加明顯；然后對差分信號進(jìn)行過(guò)零檢測，可以判斷出R波的位置；接下來(lái)在R波峰位置向前向后分別檢測，即可找出Q、S波的起始位置。

大量實(shí)驗結果顯示，所采集到的ECG圖像完整，能夠滿(mǎn)足臨床診斷精度要求，從而說(shuō)明采用MSP430和SD卡實(shí)現Holter采集系統的方案是可行的。同時(shí)，由于此算法的識別成功率較高，因此采用基于導數的QRS波群識別算法。實(shí)驗結果說(shuō)明，采用此算法完全可以滿(mǎn)足后級處理要求。在后級處理中對各個(gè)波峰中間采樣點(diǎn)數進(jìn)行了統計分析，并計算出心電圖中的各個(gè)時(shí)間參數，如P-Q、Q-R時(shí)間等參數，可以作為實(shí)際診斷的重要依據。

本文的創(chuàng )新點(diǎn)：(1)采用TI公司的超低功耗單片機MSP430和具有關(guān)閉模式的前端儀表放大器，使得兩節干電池供電的24小時(shí)不間斷采集成為可能。(2)用SD卡作為存儲設備并用單片機實(shí)現了文件系統，能方便地將數據轉存到PC機上，利于后端的數據處理和顯示。