基于MSP430F149单片机的心电信号数据采集系统的设计与研究

侯惠亮，李国侠，庞浩，包百鸣

华中科技大学同济医学院附属同济医院 器材科，湖北 武汉 430030

基于MSP430F149单片机的心电信号数据采集系统的设计与研究

侯惠亮，李国侠，庞浩，包百鸣

华中科技大学同济医学院附属同济医院 器材科，湖北 武汉 430030

目的设计一种低成本的便携式心电信号数据采集系统，实现长时间对心电信号进行采集与存储。方法对采集的心电信号进行放大、滤波、电平提升和模数转换后存储于Flash存储器，再通过液晶显示器显示实时心电波形。结果本系统可实现对心电信号进行长时间的数据采集和记录。结论本系统对于临床和患者应用都具有一定的实用价值。

心电信号采集系统；心电监护系统；心电信号；MSP430F149单片机

心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。据统计，世界上每年平均有几百万人死于心血管疾病，因此，对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界各国医学界所重视。及时了解患者心脏病的状况，对于适时治疗及预防心脏病突发死亡具有十分重要的意义。常规心电图可以记录 6～100个心动周期，历时几秒至 1 min 左右，只能获取少量心脏状态的信息。正常人 24 h 心搏次数达 10 万次以上，要在有限的时间内，记录发生心率失常的概率是比较低的，尤其是一些阵发性心率失常，即使病人有自觉症状，但在做常规心电图检查时也难以捕获[1]。

传统的心电监护系统虽然能够有效地减少心脏病患者的死亡率，但不便对众多的心脏病患者在日常生活中进行长时间的实时监护。而随身携带的便携式心电监护仪由于记录心电信号的有限性及昂贵的费用，也未能在我国得到很好的普及[2]。为此，本文研究一种便携式低成本、可存储大规模心电信号的动态心电监护系统具有实用意义。

1 MSP430F149单片机简介

基于微型化、便携式和低功耗设计的考虑，动态心电监护系统采用 MSP430F149 单片机作为硬件电路控制、数据处理及传输的核心部件。该单片机是美国德州仪器公司推出的 MSP430 系列中功能最强的单片机，包含的组件有：① 基础时钟模块，包括 1 个数控振荡器和 2 个晶体振荡器；② 看门狗定时器 ；③ 2 个带有捕捉 /比较寄存器的 16 位定时器 ；④ 2 个具有中断功能的 8 位并行端口 P1 和 P2 ；⑤ 4 个 8 位并行端口 P3～P6 ；⑥ 模拟比较器 ；⑦ 10 位 A/ D 转换器 ；⑧ 2 通道串行通信接口 ；⑨ 1 个硬件乘法器 ；⑩ 60 kB+256B FLASH、2 kB RAM。该单片机功耗低、体积小、外围模块十分丰富，非常适合于设计微型化、低功耗产品[3]。

2 系统结构

心电信号属于强噪声背景下的低频微弱生物电信 号， 幅 值 一 般 在 1 mV 左 右， 频 率 范 围 主 要 集 中 在0.05～100 Hz[4]。 本 系 统 由 心 电 电 极、 心 电 信 号 采 集 电 路、MSP430F149 单片机、电源管理模块、外接 Flash 存储器及液晶显示模块和 USB 接口电路组成。其中心电信号采集电路包括心电信号的放大、滤波及陷波等，是获取模拟心电信号的关键电路。整机方框图，见图1。

图1 整机框图

3 硬件设计

心电信号经心电电极从人体获取后送入前置放大电路进行放大处理。在对各干扰信号进行一定抑制后送入带通滤波电路滤除心电频率范围以外的信号，再由主放大器进一步放大到合适的范围，经陷波器滤除工频干扰后，即可获取有效的心电模拟信号。

3.1 前置放大电路

前置放大电路是心电数据采集的关键环节。人体心电信号十分微弱，噪声背景强、信号源阻抗大。因此，前置放大器要具备高输入阻抗和高共模抑制比、低噪声、低漂移及合适的频带和动态范围等特性。本设计采用仪表放大器 AD620作为前置放大器，它具有低输入偏置电流、低噪声、高精度及低功耗等特性，其增益（G）可调，由公式 (1)来确定[5]。

本设计电路可通过 U3将 R2、R3上的人体共模信号检测出来用于驱动导线屏蔽层，以消除分布电容，提高输入阻抗和共模抑制比。U4、R5、R6、C1构成的浮地驱动电路可将人体共模信号倒相放大后用于激励人体右腿，从而降低共模电压，抑制 50 Hz 工频干扰。U1、U2用于稳定输入信号和提高输入阻抗，提高共模抑制比。其电路见图2。

图2 前置放大电路图

3.2 带通滤波及主放大电路

带通滤波由双运放集成电路 OP2177 构成。OP2177 具有高精度、低偏置、低功耗等特性，可组成各类放大和滤波电路。心电信号的频带主要集中在 0.05～100 Hz，将双运放集成电路 OP2177 分别设计为二阶有源高通和低通滤波电路，从而合成带通滤波电路。由 U6A、C6、C7、R8、R9构成高通滤波器，其截止频率接近由 U6B、C8、C9、R10、R11构成低通滤波器，截止频率接近。主放大电路由 U7、OP1177、R12和R13构成，放大倍数设计接近 100 倍，即 。其电路见图3。

图3 带通滤及主要放大电路图

3.3 带阻滤波与电平提升电路

为了滤 除 50 Hz 工频干扰， 电路中设计了带 阻滤波器。带阻滤波器的带宽越窄 ,品质因数 Q 越高 ,则滤波器的抑制选择性就越好。陷波频率由计算得到，而Q值由公式决定，陷波的深度由放大器的正向输入端的电压决定， 即 电 阻 R14和 R17的 比 值。 选 取 C10＝ C11＝ 33nF、R15＝ 10 kΩ、R16＝ 1 MΩ，则可算得 Q 值 =5，陷波频率≈ 50 Hz。

经放大后的心电信号有负电平，而 MSP430F149 的 A/ D 转换器定义的最低转换电压为 0 V。为了保证 A/D 转换时不出现负峰失真，必须把心电信号经过一个电位提升电路，使得心电信号的电平值都为正值[6]。其电路，见图 4。

图4 带阻滤波与电平提升电路图

3.4 A/D转换及数据存储电路

由于心电信号的频率范围主要集中在 0.05～100 Hz，依据奈奎斯特采样定律，采样频率选取 200 Hz，采用逐次比较逼近原理进行 A/D 转换，从而可将心电模拟信号转换为 10位精度的数字信号。为实现大规模心电信息的存储，本系统采用 8 个 45DB321 芯片组成 Data flash 存储器，最大容量可达 32MB。单片机与 45DB321 芯片采用 SPI方式通信，通过片选 CS0～CS7 分别连接到各 45DB321 的 CS端，时钟 SCK 只对被选中的 45DB321 有效。存储器电路，见图 5。图中只画出一片存储器，各自的 CS 片选信号由74HC138 译码给出[7]。

图5 存储器电路连接图

3.5 USB接口电路

由 于 MSP430F149 单 片 机 片 内 无 自 带 的 USB 接 口 功能，而本系统采集到的大规模心电数据需借助计算机进行分析研究，因此 MSP430F149 单片机需通过电路设计来实现 USB 接口功能。本系统采用外接 CH375 芯片来实现此项功能，具体电路，见图 6。从而实现计算机对 Data flash 存储器中的数据进行读取的功能[8]。

图6 USB接口电路图

3.6 液晶显示模块

为了提供人机界面,增强实用功能，本系统采用了图形点阵液晶显示器显示心电波形。该液晶显示器由 192×64点阵组成，可以显示图形、数字和汉字。液晶显示器供电电压为 +5 V，液晶显示器驱动模块整合在液晶显示器电路板内，使用起来较为方便[9-10]。

4 软件设计

系统软件使用汇编语言编程，采用模块化结构。首先进行初始化设置，启动采用定时器溢出的方式。主要由模数转换、数据存储及处理、结果显示模块等组成，便于修改和维护。程序流程，见图7。

图7 系统软件流程图

5 结果与讨论

本系统前置放大器选用了仪表放大器 AD620，实现了低噪声、低漂移、高输入阻抗、高共模抑制比。设计的心电信号放大总增益为 980 倍，共模抑制比为 97.9 dB，输入阻抗为 180 MΩ，频 带宽为 0.05～100 Hz，符合设计要求。在电路结构上采用了右腿驱动电路和共模信号驱动屏蔽线等方法，有效地抑制了 50 Hz工频干扰。本设计的带阻滤波与电平提升电路使Q 值从 3提高到5，进一步滤除了工频干扰，降低了电路的功耗。由于采用了 MSP430F149 的一个 SPI 串 行 接口及串行 Flash 存 贮 芯 片 AT45DB321，解决了大容量数据的存贮，最高可达 32 MB。本系统数据传输采用 USB 接口电路，可实现计算机对 Data flash 存储器中数据进行读取的功能。

这套心电信号数据采集系统体积小、功耗低、成本少，便于携带，使用方便。测量时可以通过液晶显示直观地查看心电波形，又可以连续、动态地进行长时间监测。外置Data flash 存储器和 USB 接口功能实现了心电信号数据的大量存贮和便利传输，从而使本系统为临床大规模心电信号数据的采集及存贮提供了一定的实用价值。如果对本系统进一步完善，增加对采集的心电数据进行临床分析并给出分析结果，设置相应的报警系统，则本系统或可升级为心电监护系统。

[1] 邓亲恺．现代医学仪器设计原理[M]．北京:科学出版社,2001．

[2] 王亮．基于DSP的心电监护系统的设计与开发[D]．山东大学,2010．

[3] 胡大可．MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M]．北京:北京航空航天大学出版社,2000．

[4] 周玉珍．简明心电图手册[M]．北京:人民军医出版社,2002．

[5] Low cost,low power instrumentation amplifier AD620[EB/OL] (2011-01-18)[2013-01-13]．http://eelab．sjtu．edu．cn/dzsy/xp/ AD620．pdf．

[6] 曹细武,史亚军,邓亲恺,等．微型心电、呼吸监护系统的研制[J]．中国医疗器械杂志,2001,(5):249-252．

[7] 杨琦,刘大茂．一种用于监护仪的心电信号采集接口调理方法[J]．福州大学学报,2003,(2):156-159．

[8] 孙上鹏．心电信号采集及无线传输系统的设计[D]．北京:北京交通大学,2009．

[9] 蒋庐俊,杨李萍,陈会,等．基于MSP430FG439超低功耗MCU便携式心电监护仪的研究[J]．大众科技,2010(10):48-50．

[10] 王胜军,艾育华,郑峰,等．心电数据转换与远程传输的方法研究[J]．中国医疗设备,2012,27(12):44-46．

Design and Research of Data Collecting System of Electrocardio-signal by MSP430F149 Single Chip

HOU Hui-liang, LI Guo-xia, PANG Hao, BAO Bai-ming
Department of Equipment, Tongji Hospital of Tongji Medical College of Huazhong University of Science & Technology, Wuhan Hubei 430030, China

ObjectiveTo design a portable and low cost system which can collect and store dynamic data of electrocardio-signal for a long time.MethodsThe electrocardio-signal will be magnified, filtered, elevated and converted to digital signals, and then be registered in Flash memories. Also the real-time cardiograph can be displayed by LCD.ResultsThis system can collect and register dynamic data of electrocardio-signal for a long time.ConclusionThis design has practical value for clinic and patients.

collecting system of electrocardio-signal; monitoring system of electrocardio-signal; electrocardio-signal; MSP430F149 single chip

TH772+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.11.010

1674-1633(2013)11-0031-03

2013-04-26

2013-05-22

本文作者：侯惠亮，硕士，主管技师。

作者邮箱：houhl01@163．com