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          基于MSP430的心電采集系統(tǒng)

          作者: 時間:2012-02-17 來源:網(wǎng)絡 收藏

          摘要 采用儀表放大器和單片機設(shè)計開發(fā)了一種簡單有效的心電采集測量系統(tǒng)。通過標準2導聯(lián),把生物電信號傳送到放大器,由于生物電信號比較微弱,信號還需要經(jīng)過二次放大。利用50 Hz陷波器消除工頻干擾;使用單片機采集數(shù)據(jù);采用單端模式,測量心電信號測量范圍0~600 mV??梢栽?2864液晶屏上顯示,也可通過串口傳送到個人計算機。最后為試驗系統(tǒng)編寫了上位機程序,該系統(tǒng)可以為醫(yī)生提供病人的遠程參考數(shù)據(jù)。
          關(guān)鍵詞 ;單片機;數(shù)據(jù)采集;串口;上位機

          隨著微電子技術(shù)與工藝的發(fā)展,各種電子產(chǎn)品逐漸趨于小型化和集成化,而功能更強大,這使得醫(yī)用設(shè)備家庭化成為可能。隨著我國城市人口老齡化、物質(zhì)生活的改善,心血管疾病不斷增加,人們對這一類疾病的預防和診斷需求也在增長。文中采用TI公司的SOc型混合微處理器單片機,用Altera公司的CPLD做為控制器,處理心電和脈搏信號。作為數(shù)字前端的心電和脈搏信號,經(jīng)過由放大器組成的模擬電路,放大、濾波和陷波處理,經(jīng)控制系統(tǒng),通過串口發(fā)送到個人計算機,同時設(shè)有報警裝置。此心電和脈搏測量最小系統(tǒng)以插卡形式給出,通過PCI接口完成對其電源配置和CPLD連接到液晶顯示。

          1 心電和脈搏處理電路設(shè)計
          采用標準II導聯(lián)模式,將電極分別接在人體的左右手腕和左腳腕。具體的連接如圖1所示,左右手兩路信號連接到易用放大器,左腳接地,進行一次放大。從人體皮膚測得的心電信號較微弱,而且經(jīng)常疊加著各種干擾和噪聲,最常見的就是電網(wǎng)的工頻干擾。因此信號要進行二次放大并且進行50 Hz陷波處理。接下來的數(shù)據(jù)一路送往報警檢測電路,另一路送往單片機處理。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/186916.htm


          由于心電信號微弱,儀用放大器輸入電阻大,共模抑制比高,增益調(diào)節(jié)方便,使用易用放大器作為輸入級。
          放大器件采用INA128,增益,Rg是2腳和8腳之間的電阻值,設(shè)計中為滑動變阻器與固定電阻之和,變化范圍是220~5220Ω,增益變化范圍約為10~228 dB動態(tài)范圍很大。
          心電信號經(jīng)過放大后仍需要二次放大,其電路采用普通的同相比例放大器經(jīng)過二次放大后,所得信號可達4~5 V。為消除50 Hz工作頻率的影響,采用傳統(tǒng)的陷波器,抑制50Hz噪聲。
          陷波器有兩種:一種是使用雙由雙T網(wǎng)絡和運放組成;另一種是由帶通濾波氣和相加器組成。文中使用的是帶通濾波器和相加器構(gòu)成的陷波器,如圖2所示。


          U1信號加入進帶通濾波器,使用雙蹤示波器觀察U1和U2波形,調(diào)節(jié)滑動變阻器使得U2處50 Hz信號最大,帶通濾波器中心頻率為50 Hz,U1和U2信號等幅度反相位,信號U2進入加法器,微調(diào)變阻器使U3輸出接近為零,抑制50 Hz信號,這就完成了50 Hz陷波。由于模擬電路噪聲的存在,50 Hz仍然有微弱輸出,可以通過數(shù)字濾波進行消除。


          圖3是50 Hz陷波以后示波器觀察的心電信號。圖4是50 Hz陷波以后示波器觀察的脈搏信號。陷波以后的信號一路送往報警電路,一路送往單片機,進行采樣處理。

          2 單片機系統(tǒng)設(shè)計
          MSP430系列單片機是TI公司1996年推出的一個優(yōu)秀的SOC型混合微處理器產(chǎn)品系列,16位的高效的微處理器系統(tǒng),豐富強大的外圍電路資源,其中也包括很多高性能的模擬電路資源,低功耗成為被廣泛應用的一款單片機設(shè)計采用MSP430的2系列單片機。對心電信號進行A/D采樣。然后經(jīng)模擬串口發(fā)送到個人計算機。
          2.1 Sigma-delta模塊
          2系列單片機含有獨立的16位ADC,并且包含基準源,可編程序增益放大器以及溫度傳感器,適合各種高精度測量應用,SD16模塊部分框圖如圖5所示,它采用Sigma-delta調(diào)制技術(shù)。


          SD16模塊含有獨立的控制寄存器,并且有8個獨立的差分通道,6通道接到內(nèi)部傳感器,通道7短路,用于0 V校準。其實ADC模塊只是引出數(shù)量有限的通道,原因是管腳受限。
          2.2 單片機系統(tǒng)設(shè)計
          MSP430單片機系統(tǒng)設(shè)計硬件框圖如圖6所示。


          數(shù)據(jù)采集部分,使用單端模式,時鐘為輔助時鐘32.768 kB,2分頻以后,過采樣率為256 Hz,實際采樣率為64 Hz,相對于心電信號和脈搏信號,滿足奈奎斯特采樣定律。采樣數(shù)據(jù)可以通過模擬串口發(fā)送到上位機PC,也可以通過CPLD至液晶屏實時顯示波形。
          2.3 數(shù)據(jù)采集和模擬串口發(fā)送軟件設(shè)計
          有單片機采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口傳送到計算機,使用SPI(Serial Peripheral Interface)協(xié)議。
          由于計算機串口電平轉(zhuǎn)化,采用Max232N進行設(shè)計,電路圖如圖7所示。


          MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS~232標準串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片由3部分組成,圖7是Protel原理圖。
          (1)供電部分包括電源和地,分別是16腳和15腳,5V電源。
          (2)電荷泵電路部分,功能是提供正負12 V電源,供給RS-232串口使用,使用了前6個引腳,1和3腳之間,4和5腳之間使用了極性電容分別為1μF。
          (3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分,有兩個數(shù)據(jù)通道。第一數(shù)據(jù)通道包括13腳(R1IN)、12腳(R1OUT)、11腳(T1IN)、14腳(T1OUT);第二數(shù)據(jù)通道包括8腳(R2IN)、9腳(R2OUT)、10腳(T2IN)、7腳(T2OUT)。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭;DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。
          MSP430單片機低功耗主要靠時鐘休眠來實現(xiàn),中斷子程序可以喚醒不同深度的休眠模式。因此,充分利用時中斷、休眠和時鐘之問的關(guān)系,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和串口發(fā)送。單片機程序流程圖,如圖8所示。


          使用定時器模擬串口通信協(xié)議,產(chǎn)生波特率9 600 bit·s-1。由于是16位A/D,每次傳送8位到計算機,分兩次傳輸,先傳送高8位,然后傳送低8位,采樣率為64Hz。

          3 實驗結(jié)果和PCB設(shè)計
          數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到計算機,沒有數(shù)字濾波之前使用Matlab仿真現(xiàn)顯示的波形如圖9所示。


          與正常電信號相比濾波之后能夠反映出心臟的基本工作狀況。南于是數(shù)模混合電路,PCB插卡的設(shè)計和調(diào)試較重要,數(shù)字地和模擬地應分開且單點連接。CPLD和液晶在試驗基板上,插卡只是整個大系統(tǒng)的一小部分。

          4 基于LabVIEW上位機設(shè)計
          設(shè)計了基于LabVIEW的上位機界面,LabVIEW是一種圖形化程序開發(fā)環(huán)境,由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā),類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境,但LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是:其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼,而LabVIEW使用圖形化編輯的G語言編寫程序,產(chǎn)生的程序是框圖形式。


          圖10是上位機程序界面,可以實現(xiàn)心率測量,數(shù)據(jù)區(qū)域放大、拖動、存儲和回放,既可以自動測量,也可以設(shè)定門限手動測量。

          5 結(jié)束語
          設(shè)計時考慮到了成本和單片機的資源需求,測量心電和脈搏是分開的,PCB插卡上有跳線,可以在不同需要時進行選擇。設(shè)計采用傳統(tǒng)的模擬電路和最新的數(shù)字器件,用單片機自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,對信號進行采集,定時器產(chǎn)生波特率中斷模擬串口,通過串口發(fā)送到計算機,實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化處理,最后使用LabVIEW編寫上位機程序。不足之處是,遠程傳輸問題考慮得不夠完備,應當改進。



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