基于MSP430微控制器的心电信号采集系统设计

季雪渊，王卫东，张政波，王国静，彭福来

基于MSP430微控制器的心电信号采集系统设计

季雪渊，王卫东，张政波，王国静，彭福来

目的：设计一个具有高性能、低功耗特性的心电信号采集系统，以满足长时间监测患者生理状况的需求。方法：采用ADAS1000低功耗心电图模拟前端与MSP430F5529微控制器，利用串行外设接口总线实现模拟前端的配置以及心电数据的回读。结果：该系统可对正常活动状态下的患者做24 h动态心电监测，采集的数据准确可靠。结论：该系统实现了印制电路板的一体化集成，功耗低，可用于由电池供电的便携式应用（如穿戴式设备）中。

MSP430；ADAS1000；心电；低功耗

0　引言

心电图（electrocardiogram，ECG）是利用心电图机从体表记录心脏每一心动周期所产生的电活动变化图形的技术。心电图是临床最常用的检查之一，它能够帮助诊断多种心血管疾病。随着人们物质生活水平的迅速提高，心血管疾病已成为危害人类健康及生活质量的主要疾病之一，并已成为我国城乡居民病死的第二大原因[1]。传统的患者与医生之间面对面的诊断模式已经不能满足人们对健康保健日益增长的巨大需求。因此，家庭健康监护已成为一个重要的课题。

动态心电图于1957年由美国人Holter所创，1978年我国引进此项技术，该技术可连续记录24 h心电活动全过程，能够发现常规ECG不易发现的心律失常和心肌缺血等症状。但目前的Holter记录仪体积通常比较大，需要背在身上，且操作复杂，并不适用于普通人群在家庭对身体健康状况的监护要求[2]。目前，市面上常见的便携式心电监护仪有种种不足，如记录的心电信息有限，心电信号质量不佳，因此降低了医生对疾病的诊断率；费用昂贵，普通家庭患者难以承受；实时性、体积、功耗、质量都不尽人意，造成患者使用不便等。我们研究的可穿戴式健康监护系统能够实现长期、持续的监测，并可嵌入背心等衣服中，具有体积小、使用方便、功耗极低等特点。该生理参数检测技术具有不可估量的应用前景，可广泛应用于军事作业医学、睡眠医学、生理/心理学、临床监护等多个研究领域。

1　系统总体设计

整个心电信号采集系统由ADAS1000模拟前端、MSP430微控制器、无线通信模块、SD卡存储模块、锂离子电池及电源管理电路、串口通信电路等构成。结构如图1所示。

图1　心电信号采集装置系统框图

系统工作时，可利用无线通信蓝牙模块通过通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver transmitter，UART）上传至个人计算机（personal computer，PC）上位机，利用MATLAB查看分析数据，亦可用SD卡记录数据，之后再用PC读取数据，分析处理。

2　硬件设计

2.1低功耗模拟前端

传统的心电信号放大电路是通过分立元件搭建而成的，不仅需要占据很大的电路板空间，功耗亦不容忽视。本系统采用的ADAS1000集成模拟前端不仅具有低功耗和小尺寸特性，同时亦是一款高性能器件，因此适用于高端诊断设备。它能够测量心电图信号、胸阻抗、起搏伪像、导联连接/脱落状态，并将此信息以数据帧的形式输出，以可编程数据速率提供导联/矢量或电极数据。传统分立式与集成式解决方案的对比见表1。

表1　传统分立式与集成式解决方案对比

ADAS1000是一款高度集成的芯片，由5路ECG输入和1个专用右腿驱动输出参考的电极组成，专为监控与诊断级ECG测量而设计。ADAS1000针对低功耗设计，仅需21 mW便可进行5个ECG电极的测量。它的标准串行接口可输出所有ECG相关信息，包括导联脱落状态、起搏、呼吸和其他辅助功能。它可提供不同的数据帧速率（2、16或128 kHz），以确保最终简化数据采集任务。最低的数据速率（2 kHz）可实现更多抽取功能，并且针对低噪声性能优化了帧数据速率；还可在跳跃模式下读取数据，该模式每次都在第二或第三个字时从设备读取包或帧，数据速率最低为500 Hz[3-5]。

2.2MSP430微控制器

系统硬件设计采用MSP430F5529微控制器作为主控制器。MSP430系列单片机是采用了精简指令集计算机（reduced instruction set computer，RISC）结构的16 bit单片机，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址，4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。

MSP430单片机之所以具有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有独到之处。首先，MSP430系列的电源电压采用的是1.8～3.6 V电压。因而可使其在1 MHz的时钟条件下运行时，芯片电流最低在165 μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1 μA。其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有3个不同的时钟系统模块：辅助时钟（auxiliary clock，ACLK）、主时钟（master clock，MCLK）以及子系统时钟（subsystem master clock，SMCLK）。这3个时钟系统由5个时钟信号源提供，可以只使用1个32.768kHz的晶体振荡器，也可以同时使用4～32 MHz的高频晶振或内部的3个低功耗振荡器。由时钟系统产生中央处理器（central processing unit，CPU）和各功能模块所需时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制[6-10]。

2.3串行接口电路

ADAS1000通过标准串行接口进行控制，运行配置寄存器和回读ECG数据（如图2所示）。这是一个串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）的兼容性接口，由5个引脚控制：片选（chip select，CS）帧同步输入，串行数据输入引脚（serialdatainput，SDI），串行时钟（serialclock，SCLK）将数据输入和输出器件，串行数据输出（serial data output，SDO）用于数据回读，数据就绪（data ready，DRDY）可选。

系统通过UART负责PC与MSP430单片机之间的通信。由于单片机与PC进行通信的接口电平不同，因此需要进行接口电平转换。串口通信电路的设计采用MAX3232实现单片机电平与PC的RS232电平转换[11]。

3　软件设计

3.1软件配置流程

整个心电信号采集系统的软件设计主要由以MSP430单片机为核心的模拟前端控制程序和单片机与PC之间的串口通信程序2个部分组成。ADAS1000的配置流程如图3所示。

PC端控制程序采用IAR Embedded Workbench开发环境，IAR SYSTEMS开发工具可用于嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括：带有C/ C++编译器和调试器的集成开发环境（integrated development environment，IDE）、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。

图3　配置流程图

3.2SPI传输程序

ADAS1000的寄存器配置都是通过SPI来控制的，SPI是一种高速的、全双工、同步的通信总线，其时序很简单，主要是在SCLK的控制下由2个双向移位寄存器进行数据交换。SPI的读写程序如下：

由于ADAS1000的寄存器为32 bit，而一次SPI的读写操作只能完成8 bit的数据交换，因此，进行一次模拟前端的寄存器设置需要进行4次SPI操作。

4　应用效果

整个系统硬件电路经过设计、制板、焊接、调试，嵌入式软件程序在编写与调试之后经过多次实验表明，该系统稳定可靠。图4为第一版的实验原理样机。

图4　第一版实验原理样机

对健康成年男性志愿者的测试结果如图5所示。图中显示了标准三导联的心电信号波形，信号中

图5　健康成年男性志愿者的动态心电信号显示程序

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）存在50 Hz的工频干扰，系实验电路通过市电供电所致，改用锂电池供电后干扰消除，信号质量有明显改善。通过与标准心电图对比，可见使用该系统采集和分析处理心电信号的方法是可行的，达到了日常监护乃至临床诊断的要求。

5　结语

本心电信号采集装置的最大特点是采用了ADI公司最新的模拟前端ADAS1000，它是一款具有低功耗和小尺寸特性的高性能器件。采用的MSP430单片机是一种16 bit超低功耗、具有精简指令集的混合型单片机。本设计实现了印制电路板（printed circuit board，PCB）的一体化集成，减小了系统的体积，适合穿戴式设备的应用。未来可将其发展为低功耗检测技术，再将该技术嵌入到服饰中，使其成为使用方便、性能可靠的可穿戴系统，最后运用该系统开展一系列应用研究工作。

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[4]ADI公司.最新集成模拟前端子系统ADAS1000简化诊断级ECG应用设计[J].中国集成电路，2011，20（6）:91-93.

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[7]Texas Instruments.MSP430x5xx and MSP430x6xx Family User's Guide[EB/OL].（2014-05-28）[2014-12-10]http://www.ti.com.cn/ cn/lit/ug/slau208n/slau208n.pdf.

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[10]Texas Instruments.MSP430F551x，MSP430F552x Mixed Signal Microcontroller[EB/OL].（2014-06-17）[2014-12-10].http://www.ti. com.cn/cn/lit/ds/symlink/msp430f5529.pdf.

[11]陈京水，李业勤.基于MSP430动态心电存储系统的设计[J].中国医学装备，2010，7（8）:12-16.

（收稿：2014-12-10修回：2015-01-19）

Design of ECG signal acquisition system based on MSP430 microcontroller

JI Xue-yuan1,WANG Wei-dong2,ZHANG Zheng-bo2,WANG Guo-jing2,PENG Fu-lai3
(1.Chinese PLA Medical School,Beijing 100853,China;2.Medical Engineering Support Center, Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,China;3.School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Objective To design a high performance and low power consumption ECG signal acquisition system which can meet the demand for long time monitoring of the physiological status of patients.Methods The prototype system utilized low power ECG analog front end ADAS1000 and MSP430F5529 microcontroller to achieve configuration of AFE and back-reading of ECG data by SPI bus.Results This system implemented 24-hour dynamic ECG monitoring of patients in active state,and the data acquired were accurate and reliable.Conclusion The system realizes PCB integration,low power consumption,and can be used for battery powered portable application such as wearable devices.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：6-8，46]

MSP430;ADAS1000;ECG;low power consumption

[中国图书资料分类号]R318；TH772.2A

1003-8868（2015）05-0006-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.006

国家科技支撑计划项目（2013BAI03B04）；国家自然科学基金资助项目（61372047）

季雪渊（1989—），男，主要研究方向为医疗仪器、穿戴式医疗电子设备设计，E-mail:jixueyuan163@163.com。

100853北京，解放军医学院（季雪渊）；100853北京，解放军总医院医学工程保障中心（王卫东，张政波，王国静）；100081北京，北京理工大学信息与电子学院（彭福来）

王卫东，E-mail:wangwd301@126.com