基于MSP430的低功耗便携式心电仪的设计

2万 · 2013-3-20 23:45

心电图是心脏疾病诊断的重要工具之一，目前在医院临床中有广泛的应用，给医生诊断病症带来很大的帮助。传统的心电仪虽能有效地监测心电、降低心脏病患者的死亡率 ,但不能对患者进行长时间的实时监护，而且存在体积大、功耗高、携带不便等缺点。鉴于此，本文设计了一种结构简单、性能稳定、可靠的便携式心电仪，能够在家庭、野外等一些场所对心电进行实时监测，具有广泛的应用前景[1]。

1 系统硬件结构及原理

低功耗便携式心电仪由MSP430F169、心电信号采集调理电路、液晶显示模块、数据存储模块、按键输入模块等组成，如图1所示。

通过以标准导联方式I和人体相连的电极取得的心电信号，因为环境中存在各种干扰(人体自身的肌电干扰，外部的工频干扰等)，所以必须经过模拟放大电路的放大、滤波等调理之后才可进入MSP430F169单片机，利用单片机内部的A/D模块对模拟信号进行模数转换，然后存储数据，并在液晶屏上显示，观察者可以直观地看到心电信号波形和每分钟心跳的次数。系统采用SD卡来存储采集的数据，采集的心电信号数据可以长时间存储，这对于心电信号异常且有偶发性的病人具有重要价值。系统还可以通过串口把采集的心电信号实时传输到上位机，由上位机显示并进行实时分析。1.1 微控制器

微控制器采用TI公司的MSP430F169单片机，它是一款低功耗单片机，当所有器件均采用低功耗模式工作时，总功率不到1 W，RAM 数据保持方式下耗电仅 0.1 ?滋A，活动模式下耗电250 μA/MIPS，特别适合于便携式设备；片内集成有12 bit A/D转换模块，4种转换模式，转换速度最快达到200 Kb/s，足以满足心电采集的要求[2]。

1.2 心电信号调理电路

心电信号调理电路是本系统的重要环节之一，主要由前置放大、高通滤波、50 Hz陷波、低通滤波和后级放大电路组成，如图2所示。因为体表ECG心电仪一般只有0.05 mV~5 mV，具有微弱和易受干扰等特点，因此，采用高输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路进行前置放大，以增大输入阻抗、减少共模信号干扰；带通滤波电路主要由高通滤波器和低通滤波器组成，通频带为0.5 Hz~100 Hz，滤除心电频率范围以外的干扰信号；50 Hz 陷波处理器滤除工频干扰；后级放大器将ECG信号进一步放大100倍左右到合适范围，然后输出到核心控制器MSP430F169的A/D模块。

1.3 数据存储模块

本系统中使用SD卡存储采集的心电信号数据。SD卡是一种体积小、容量大、性价比高、访问接口简单的存储卡，具有低功耗、非易失性等特点，被大量应用于数码照相机、手机等便携式设备中。使用SD卡可将心电数据传送到功能更强大的PC机中进行进一步的分析处理，其接口电路如图3所示。其中，DAT0～DAT3为数据线，CMD为命令线，CLK为时钟线，为存储模块提供时钟，CD_SW用于控制SD卡的热插拨。

MSP430F169的P1.1～P1.5连接5个独立按键，其中4个用于调整心电波形显示的周期和幅值，1个用于串口数据发送。

2 软件系统设计

系统软件部分是在IAR430开发平台下进行开发调试完成的。IAR430是专门为TI公司的MSP430单片机而设计的一款开发软件，它提供了工程管理、程序编辑、代码下载、软硬件调试等几乎所有的功能[3]。

系统流程图如图5所示。首先系统进行初始化(包括看门狗、系统时钟、I/O口、UART1、ADC12、TimerB及LCD等初始化)，开总中断后系统进入主循环体，当采集满一屏数据时，主循环体内进行心电波形的刷新显示；不满一屏数据时，进入低功耗状态。A/D采集用中断方式，系统的采样频率通过定时器控制，5个独立按键采用中断方式，通过软件延时消除按键抖动。

2.1 低功耗设计

由于MSP430单片机是专为低功耗设计的，所以本系统的程序部分按照其低功耗方案设计。除了心电波形显示、擦除这种必要步骤在大循环内运行外，其余的(包括A/D转换程序、定时器采样频率、按键)全部采用中断方式，只有事件触发时才运行；而在主程序设计中只有在采集完一屏数据之后才运行心电波形显示，其余时间全部进入LPM1低功耗模式；数据的存储不经MCU，直接利用MSP430F169内部的DMA模块实现数据传输。这一设计方法大大降低了系统的功耗[4]。

2.2 系统各子程序设计

（1）A/D部分

MSP430F169的P6.0～P6.7为A/D复用口，本系统采用P6.4，即A4作为A/D的输入口，采用单通道多次转换方式。A/D转换采用中断方式，中断子程序内只编写一条语句，即关A/D中断，不进行其他任何操作，以使A/D最高采样频率达到理想状态。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）定时器中断部分

系统的采样频率由定时器控制，并由按键对频率进行缩放，定时器采用子系统时钟、8分频(系统时钟为8 MHz)。定时器亦采用中断方式，中断子程序内对A/D转换后的值进行存储，并查询是否采集完一屏数据，如果采集满屏，即关闭定时器中断和A/D中断，然后满屏标志位置1，退出低功耗模式，退出中断[5]。中断子程序如下：
#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；//先关闭定时器B
ADC12IE &=~BIT4；//关ADC中断
collect_a_screen=1；//满屏标志位置1
LPM1_EXIT；//退出低功耗模式
}
else ADC12IE |= BIT4;//开ADC中断
}

（3）SD卡部分

采集的数据通过MSP430F169内部集成的DMA模块传送到SD卡内。DMA选用通道0，触发方式为ADC12IFG4，按字节发送。SD卡的操作以命令方式进行，所有的命令都由主机主动发送，SD卡根据不同的命令做出不同的响应。其应答流程如图6所示。

3 应用与注意事项

用本系统采集人体心电，经验证，能够在LCD屏上正确显示出如图7所示的人体的心电波形，并能通过串口或SD卡将采集的数据传送到上位机进行进一步显示分析。本系统设计时需要注意：MSP430F169默认是关闭中断嵌套，所以用到中断嵌套时，进入中断子程序后应首先打开总中断，这样才能执行嵌套中断；在LCD上画心电波形时，应采用分列式，即擦一列画一列，这样才能保证心电波形稳定显示。

本文从家用便携式心电仪的特点出发，设计了一款功能适当、功耗极低并且价格低廉适用于家庭保健用的心电仪。同传统的数据采集系统相比，本系统采用低功耗微控制器MSP430F169，在软件设计中通过低功耗设计，大大降低了系统功耗，而且性能稳定、可靠，设计过程简便，降低了成本，具有广泛的应用价值。