低功耗心率檢測儀設(shè)計

　　摘要：根據(jù)人體真實信號I導聯(lián)，以MSP430F5529 Launchpad系統(tǒng)板為核心，設(shè)計了一種便攜無線心電監(jiān)視儀。硬件上采用TI公司的高性能模擬器件，以提取微弱的QRS波形的同時，使功耗降到最低;軟件上實現(xiàn)了信號調(diào)制、信號處理，準確計算心率;顯示上以安卓手機作為終端，靠藍牙進行通訊。實驗樣機的初步測量結(jié)果表明，在安靜狀態(tài)下，心電信號無失真、心率測量誤差在3%內(nèi)。

　　1 引言

　　心血管疾病是現(xiàn)代工業(yè)社會中對人類生命威脅最大的疾病，因此日常的心臟監(jiān)護就成為保證病人生命安全的重要手段，通過日常監(jiān)護預先發(fā)現(xiàn)異常征兆，及時給予救治。同時，心電圖作為心臟電活動在體表的綜合表現(xiàn)，是診斷心臟疾病、評價心臟功能的重要依據(jù)之一。

　　實時的心電監(jiān)護是十分有必要的。以準確的檢測為前提，以便攜、低功耗為目的，我們需要使用盡可能小而且高性能的器件，設(shè)計出最小的高準確度低功耗電路。并且通過藍牙模塊傳輸?shù)浆F(xiàn)在每個人都擁有并且使用時間相當長的手機上進行心電波形和心率的顯示，方便使用。

　　我們選擇使用TI提供的高性能超低功耗的MSP430F430 LaunchPad作為開發(fā)平臺，以及TI公司生產(chǎn)的高性能低功耗器件如OPA2333、INA333等進行各放大、濾波模塊的構(gòu)建。在更為普及的Android平臺上編寫手機端程序，接收經(jīng)單片機采樣計算的數(shù)據(jù)，顯示波形及心率。需要解決的問題有50Hz工頻干擾，人體生理信號的低信噪比易失真的特性，功耗的控制，心率計算算法的選擇和手機端的實現(xiàn)。

　　2 系統(tǒng)方案

　　在便攜式的心率監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)的低功耗和穩(wěn)定性越高對病人越好。因此我們盡量精簡該系統(tǒng)的硬件和選擇低功耗的芯片，通過多次測試來確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖1是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，處理核心是高性能的MSP430F5529。系統(tǒng)硬件主要由前端電路模塊，來采集人體的心電信號，并進行適當?shù)姆糯蠛蜑V波處理提取微弱的心電信號;再通過MSP430內(nèi)部的AD采樣功能將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;無線傳輸模塊主要是無線發(fā)射模塊，采用了TI公司的CC2540，它通過標準的UART口與微控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信;顯示模塊由手機來完成;電源模塊采用TLV70030芯片，它可以固定輸出電壓3V，用于給單片機、無線模塊、前端電路供電。系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上分為主控程序、信號處理模塊、無線通信模塊。先將信號通過簡單的數(shù)字濾波處理，再分析信號的幅值周期等信息來計算心率;最后將心電信號和心率進行發(fā)送和顯示。本文主要介紹完整的硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件設(shè)計。

　　3 硬件設(shè)計

　　3.1 電源模塊

　　為了數(shù)字電路和單片機的供電，我們將電源設(shè)置為3V的單電源供電模式。選擇3V的同時也為了降低功耗。采用鋰電池供電，鋰電池的電壓范圍在3.7V-4.2V，為了獲得穩(wěn)定的3V電壓，我們選用TLV70030線性穩(wěn)壓器。經(jīng)過比較，TLV70030具有低壓降、低功耗、輸出噪音小的優(yōu)點。

　　系統(tǒng)采用單電源供電，無法放大負半軸的信號。為了使得模擬電路采集到的心電信號在調(diào)理過程中獲得最大的動態(tài)范圍，需要設(shè)定Vcc/2 的半電位參考電平。通過簡單的電阻分壓后，通過電壓跟隨器實現(xiàn)阻抗匹配，使得后級電路不會對參考電平產(chǎn)生影響。

　　3.2 放大模塊

　　心電信號幅值為10m V-5mV，其典型值為1mV，非常微弱，在處理時，若要求輸出電平達到1V左右，則放大倍數(shù)要做到1000倍左右。為抑制電路的零點漂移，提高共模抑制比，系統(tǒng)放大電路應采用多級實現(xiàn)。為了抑制工頻干擾以及所測量的參數(shù)外的其他生理作用的干擾，須采用了差動放大形式。要求放大器具有較高的共模抑制比。

　　我們選用了3級放大。第一級放大我們選擇的INA333儀表放大器具有超高輸入阻抗，極其良好的共模抑制比100dB，低輸入偏移，低輸出阻抗。經(jīng)計算放大倍數(shù):

　　二級放大和后級放大：經(jīng)過一級放大后信號幅值已經(jīng)足夠，可以進行濾波處理;為了顯示波形美觀和AD采樣的準確，將兩級放大放在最后。一方面，信號通過儀表放大后，存在基線漂移，需要通過高通濾波器才能繼續(xù)放大，防止信號的截止;另一方面，信號先濾波再進行后級放大有利于濾波的效果。我們同樣選用性能優(yōu)秀的OPA2333來作為放大器件。以實現(xiàn)放大后信號無失真，低噪聲等需求。為了提高輸入阻抗，我們選用同向比例放大器。二級放大的放大倍數(shù)分別為：