基于MSP430的便攜式心率計的設計(圖)

作者：西安通信學院 郝東來 羅文 張海峰 朱沼宇

在消費電子領域，便攜式電子產品由于體積小、質量輕的特點越來越受到消費者的喜愛，已成為人們生活中不可缺少的部分?；谶@個思路，我們設計了一款便攜式心率計，它可以替代用脈搏聽診器等進行測量的傳統(tǒng)方法，使用非常方便。該產品主要包括三個部分：信號的采集、數據處理以及LED顯示和報警電路。

系統(tǒng)總體設計
圖1為本系統(tǒng)的原理框圖。



圖1 系統(tǒng)結構框圖

如圖1所示，從傳感器檢測到的脈搏信號轉化為電壓信號送入電壓跟隨器，起到緩沖的作用，使前級和后級隔離開來，避免相互干擾。輸出的信號經前置放大后送入高通濾波器，以濾除傳感器的熱電干擾，再經過低通濾波器濾除環(huán)境中的高頻干擾。處理完的信號送入后級繼續(xù)放大以便得到干擾小且清晰的信號，此信號經比較器和二極管整流后直接送入單片機處理，以驅動顯示電路和報警電路。

系統(tǒng)硬件電路原理圖
圖2為電路原理圖，下面對各模塊進行逐一描述。



圖2 系統(tǒng)硬件電路原理圖


1電壓跟隨和前置放大電路
電壓跟隨器的輸入信號，即脈搏傳感器信號從V+端輸入，反饋電阻置零，構成一個同相跟隨器，起到緩沖作用，隔離前后級的影響。心音脈搏放大器的功能是將mV級的心音信號放大到V級，以供顯示和記錄使用。


根據心音脈搏信號的特性，要求放大器具有以下特性：


● 足夠高的增益，約800倍。


● 有合適的頻帶寬度（0.78～ 3.33Hz）


● 因為心音脈搏信號比較微弱，干擾和噪聲比較大，要求電路有高輸入阻抗來減小信號的損失，有高共模抑制比（大于80dB）來抑制干擾和噪聲。


由于在實際應用中，外界信號的干擾，以及考慮到放大器的穩(wěn)定性，一級放大器不能實現如此大的增益，所以電壓放大器一般由兩級組成。其中，前級采用負反饋差動放大電路，以提高共模信號抑制比。此部分的關鍵是如何抑制各種噪聲，避免讓噪聲竄入后級電路。因此在系統(tǒng)中，采用基于雙運放電路的微功耗儀表放大器AD620作為心音脈搏信號的前級放大器。為防止產生非線性失真以致損害電路的共模抑制比，該部分的放大倍數不宜過高，選擇為1000倍左右。


2 高低通濾波器電路
在本設計中，信號頻率較低，在 0.78～3.33Hz之間，因此濾波器的設計成為本電路的關鍵。首先，要經過一個0.5Hz的高通濾波器，以濾出傳感器的熱電干擾，然后再經過一個低通濾波器以濾除心音信號的絕大多數干擾。在實現電路中，普通的濾波器已經很難對這么低的信號進行濾波，因此在本設計中采用增益變化較平坦的巴特沃斯濾波器。其中，高通為二階的巴特沃斯濾波器，低通為截止頻率為5Hz的巴特沃斯濾波器。圖3為低通濾波的原理圖。



圖3 低通濾波器原理與性能


3后級放大和比較整流電路設計
心音信號經過前級放大后，幅度還未達到理想的應用值，且還有一定的干擾，因此需要后級放大器繼續(xù)放大，以達到使用要求。整個電路采用一般的反向放大器模塊電路。


比較整流電路的作用是將處理后的信號轉化為不含負脈沖的方波，以送入單片機進行處理。該電路由一個過零比較器和整流電路構成，由于送入單片機的信號要求為正電壓，所以經過整流電路后，信號將全部轉化為正跳沿的方波。


4單片機控制電路
本部分主要包括單片機控制顯示電路以及驅動蜂鳴器的報警，具體電路如圖4所示。



圖4單片機控制電路


圖4中，數碼管為共陽極結構，74LS164作為數碼管的驅動，當輸入0時點亮，四個二極管串聯起限壓保護的作用。圖5為JTAG口與單片機的連接圖。



圖5 JTAG口與單片機的連接


圖6為單片機程序流程圖。



圖6 單片機控制流程圖


本系統(tǒng)電路的軟件部分能夠精確跟蹤微小心電信號的頻率。所采用的技術是單片機的中斷捕獲功能以及數學算法誤差消除、硬件結構誤差消除。


5電源管理模塊
本電路采用兩塊干電池供電，對于大多數電子產品而言，具有普遍性和方便性。由于此單片機為低功耗工作模式，我們選用了升壓芯片TPS61210，TPS6110，MAX660作為電源芯片，提供±5V、3.3V的工作電壓。


電路測試與數據分析
表1為加入信號頻率為0.5～ 5.5Hz，峰峰值為2mv的正弦波信號后各模塊電路的輸出電壓測試數據。


由表中的數據可知，實際測出的值與理論計算的值有所差別，且當輸入信號較弱時，輸出信號受干擾較大。本電路中，跟隨器就受到傳感器的很大干擾，因此在實際的測量中，一定要注意電路的抗干擾能力。




外部時鐘晶振為32 768Hz，對其進行1/2分頻；1Hz捕獲上升沿的是時間差，S[Rx]為數據寄存數組；單片機系統(tǒng)采用8MHz DCO?？梢钥闯?，該系統(tǒng)可以在誤差范圍內對1MHz左右的心音信號進行準確的判斷。

結論
本設計通過數?；旌想娐方Y合單片機控制的設計實現了對心率信號的實時測定，并能發(fā)出警告。整個電路盡量考慮到各方面的因素，做到線路簡單，減小電磁場干擾，充分利用軟件編程，彌補元器件的精度不足。還可以以該設計為基礎加載其他功能，使其功能和結構更加完善，擴展至對人體其他生理狀態(tài)的測定。