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1、2012届毕业设计(论文)题 目：无线心电监测系统的设计 专 业 班 级：电子信息工程02班 学 号: 姓 名： 指 导 教 师： 教授 学 院 名 称：电气信息学院 2012年 5 月 25 日无线心电监测系统的设计the Design of Wireless ECG MonitoringSystem学 生 姓 名:指 导 教 师: 摘 要本文设计一种无线心电监测系统，该系统能测量、存储、回放、分析病人的心脏跳动情况，而且能在心电不正常时，自动向预约医疗单位发出远程报警信息。系统的方案是：采用心电检测电路对心电信号进行采样和调理，用GPRS无线传输电路将心电信号传输到预约医疗单位，通过医疗单
2、位的监测设备显示和记录心律失常信息。系统的工作原理是：心电检测电路对人体心电信号进行采样，并对采集到的心电信号进行初级放大，以减少心电信号的损失，通过其内置的前置放大、右腿驱动、滤波、电平抬升、50Hz带阻滤波器等电路等对心电信号进行调理，以得到准确有效的心电信号；MSP430中内部含有有A/D转换器部件，完成对心电信号的转换，以得到相应的数字化心电信息；数字化心电信号的存储采用了SD卡；图形回放使用的是NI公司生产的PCI-6731数模转换卡（远端）和TFT彩色LCD显示器（本机）；心电信息的远传采用了M22，其传输过程通过16位MSP430实现。调试证明，该系统具有较好的抑制心电信号噪声的
3、能力，心电基线漂移小，测量准确，使用便利，能够满足病房和家庭无线心电监测的基本要求。关键词：心电信号；采集；存储；回放；远传AbstractIn this paper, the design of a wireless ECG monitoring system, the system can measure, store, playback, analysis of the patients heart beat, abnormal ECG, automatic remote alerting information to make an appointment medical units.
4、System options are: ECG detection circuit ECG signal sampling and conditioning, and GPRS wireless transmission circuit ECG transmission to the appointment of medical units, medical unit of the monitoring equipment to display and record arrhythmias information.The system works: ECG detection circuit
5、of the human ECG signal is sampled and collected ECG primary amplification, in order to reduce the loss of the ECG signal through its built-in preamp, right leg drive , filtering, level uplift, 50Hz band-stop filter circuit ECG signal conditioning, accurate and effective ECG; the MSP430 internal con
6、taining the A / D converter components to complete the conversion of the ECG to digital ECG information; the storage of digital ECG signal using the SD card; graphics playback using a NI PCI-6731 digital to analog conversion card (remote) and TFT color LCD display (native) Remote; ECG information us
7、ing the M22, its transmission to achieve 16-bit MSP430.Debugging proved that the system has a better ability to inhibit the ECG noise, ECG baseline drift, measurement accuracy, ease of use and able to meet the basic requirements of the ward and home wireless ECG monitoring.Keywords： EGO ; Acquisitio
8、n ; Storage ; Playback ;Transmission：:目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 国内外研究现状、生产需求状况2第二章 心电信号的相关介绍42.1 心电信号的产生42.2 心电信号的组成部分42.3 正常的心电图波形52.4 心电信号的基本特征52.5 心电干扰的主要来源6第三章 系统总体方案设计83.1 系统设计指标83.2 基于无线通信的无线心电监测系统的方案比较9第四章 硬件设计114.1 微处理器硬件结构114.2 心电检测电路124.3 数据存储电路的结构设计214.4 数据回放电路的结构设计234.5 显示电路
9、的结构设计244.6 电源电路的结构设计25第五章 软件设计265.1 数据采集电路软件设计265.2 数据存储电路软件设计（SD卡）275.3数据回放电路软件设计295.4 显示部分软件设计30总结33致谢34参考文献35附录137附录238附录341第一章 绪论心脏病具有突发性和不可预见性，是威胁人类生命的一大杀手。根据我国卫生部2005年卫生统计资料年鉴显示，在我国市县范围内，死于心脏病的人数排在肿瘤和脑血管病之后。心脏病已成为严重威胁人们健康和生命的三大主要疾病之一1。我们日常遇到的心电监测系统往往是在医院见到的大型心电检测工作站，这种工作站在处理速度、存储能力以及分析能力上占有比较大
10、的优势。但这种大型工作站体积较大、价格昂贵、专业性很强，不具备无线传输能力，限制了它在家庭保健和社区服务中的广泛应用，而体积小，使用方便的无线心电监测系统始终是研究热点。无线心电监测系统可以及时获取患者的心电信息，以便及时发现异常情况，采取相应的处理措施，是降低心脏病死亡率的有效手段之一。无线心电监测系统对高危人群、亚健康人群、老年人心脏疾病预警意义重大。医学实践表明，对于心脏病的防治，最有效的手段就是预防和保健，在对心脏病患者进行监测的基础上，尽早发现异常病变，及早进行治疗，以控制病情的进一步发展。1.1 课题背景及意义众所周知，随着科学技术的推进、人类社会的发展进步，全球医疗仪器的发展也是
11、日新月异。21世纪的医疗行业主要呈现以下两个特点：第一、未来的医疗世界，主要的代表产品是纳米机械元件、随身佩戴式化学感测器、居家保健应用医疗器材等。第二、信息与医疗技术紧密地结合在一起。而心脏病一直是威胁人类生命的头号杀手，是发病率和死亡率最高的疾病之一。随着生活水平和健康意识的提高，人们需要随时对心脏进行健康监测并且能在比较危急的情况下进行及时的诊治。所以，无线心电监测系统的研制具有非常重要的意义。心电的自律性、兴奋性和传导性，都以生物电为活动基础。心脏电活动的变化与某些心脏疾病，尤其是各种类型的心率失常的发生有着密切的联系。心电图是记录心脏电活动状态的记录，对了解心脏的节律变化和传导情况有
12、着重要的价值2。本课题的主要目标是研制无线心电监测系统，能采集、存储、回放、分析心电监测信号，在心电不正常时，能自动向预约医疗单位发出远程报警信息的家用无线心电监测系统。它将既可用于门诊病人诊断、住院病人监护，又可用于居家动态监测。因此，本课题接触生物医学工程学科的发展前沿，具有重要的理论意义和研究价值。1.2 国内外研究现状、生产需求状况当前，拥有无线心电监测系统全球领先技术的地区主要是日本、欧美等经济发达地区以及中国台湾地区3。2002年9月，日本光电工业株式会推出一种体积小、重量轻，可以挂在脖子上的无线心电图计“RAC-3103”。该产品的最大特点是体积仅为之前同类产品的40%左右，重量
13、只有98克。由于无线心电图计“RAC-3103”体积小、重量很轻，所以可以挂在脖子上后装入衣服口袋中，也可以挂在腰间。由于采取了防雾设计，因此即使放在外衣里边也不会受蒸气的影响。在功能方面，“RAC-3103”具备数据收集、波形、参数显示、报告打印、生命状态识别及异常状态报警等功能，而且“RAC-3103”通过改进电极而增强了抗干扰能力。“RAC-3103”价格为95万日元(约合7917美元)。现在，无线心电图计“RAC-3103”的销量在3000台以上。2004年12月，日本欧姆龙保健品公司与在日本心电图仪领域占第一位的日本福田电子，成功地联合开发出家用无线心电图仪“HCG-801”。“HC
14、G-801”有指电极和胸电极2个电极。只要将右手食指放到指电极上，同时把胸电极直接接触到左胸，就能测定出30秒钟的心电图。测定后心电图会显示在液晶面板上，同时还会显示诸如“心率过快，心电图好像有紊乱”等13种信息。显示信息只是心电图的分析结果，并不报告预测的病名等信息。机身内置的内存可记录5次心电图，SD卡可记录300次心电图。2005年1月11月起在日本关东上市，2005年夏天在日本全国上市。“HCG-801”的价格比“RAC-3103”便宜很多，但是还是蛮昂贵的，为36750日元（约合350美元）。中国台湾知名企业微星（MSI），在2007年1月8日登场的美国消费电子展（CES）上，秀出世
15、界上第一台可直接测量心脏健康状况的心电图概念笔记本CES，是全球首款“ECG”（心电图）笔记本。通过内建的电子心电图测量仪以及外接式的感应器（Sensor），使用者可以不限时间地点的纪录自己的心脏健康状况。所记录下来的心电图，可以利用E-mail将数据寄出，也可利用记忆卡存储记录，将心电图送交给检验所或者是医院诊断。微星心电图概念笔记本如图1-1所示。图1-1 微星全球首台心电图概念笔记本国内由于信息技术落后，精通各方面软件技术的顶尖人才少，研究还处在起步阶段。但是令人可喜的是，现在已经有很多医疗器械公司投入巨资和组织专业人才致力于无线心电监测系统软件的研制。相信不久的将来，中国将成为无线心电
16、监测系统的主要研发生产国家4。第二章 心电信号的相关介绍2.1 心电信号的产生心肌细胞未受到刺激（处于静息状态）时存在于细胞膜内、外两侧的电位差，称为静息电位。静息状态时心肌细胞膜外排列一定数量带正电荷的阳离子，细胞膜内侧排列有相同数量带负电荷的阴离子，因此，细胞膜外的电位高于膜内，膜内电位约为-90mV。这种以细胞膜为界，膜外呈正电位、膜内为负电位，并稳定于一定数值的静息电位状态，称为极化状态。心肌细胞在静息电位的基础上发生一次快速性的、可扩布性电位变化，称为动作电位。当细胞膜表面受到一定强度刺激时，它的通透性发生改变，膜外的阳离子大量进入膜内，于是膜内的电位高于膜外，由原来的-90 mV
17、达到+30mV左右，这个过程称为除极。发生去极化后（除极），细胞膜电位又恢复到原来的极化状态的过程称为复极。心肌细胞处于静息状态时，由于膜内、外电荷互不交流，并不产生电流，细胞膜外任何两点之间的电位都相等，没有电位差。但心肌细胞在受到激动而发生除极和复极的过程中会形成电位差，从而产生电流。在身体不同部位放置电极，并连接到记录仪，便可把这变动着的电位差记录成曲线，即心电图。2.2 心电信号的组成部分（1）P波：代表心房肌的电激动过程，心脏的激动起源于窦房结，最先传到心房，使之激动。P波代表心房肌的电激动过程，是心电图中最先出现的波动。P波正常宽度不超过0.01s，高度正常不超过0.25mV。（2
18、）P-R期间：代表心房肌开始除极到心肌开始除极的时限。（3）QRS波群：反映心室肌除极过程的电位变化，通常历时0.06一0.105s。（4）S-T段：从QRS波群终点到T波起点间的线段，反映左、右心室全部除极完毕到复极开始以前的一段时间。（5）T波：代表心室肌激动后恢复过程产生的电位变化过程,占时较长，约有0.05s0.25s。（6）Q-T期间：从QRS波起点到T波终点间的期间，代表整个心室肌自开始除极到复极完毕的总时间。（7）U波：T波之后有时可能看到一个很小的正向波，可能表示心肌激动后的电位变化。（8）S-T段：自QRS波终点至T波起点之间的线段，代表心室各部分己全部进入去极化状态。心室各
19、部分之间没有电位差存在，因此又恢复到基线水平。正常ST上升不应超过基线01mV，下降不应低于基线005mV。 （9）Q-T间期：从QRS波群起点至T波终点的时程，代表心室开始去极化至完全再极化到静息状态的时间，这一间期的长短与心率密切相关。2.3 正常的心电图波形如前所述，采用电极即可从人体表面记录出反映心脏兴奋活动的电生理变化曲线，即心电图(ECG)。心电图反映了心脏兴奋(除极)的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。典型的心电图包括P波，QRS波，T波，U波，P-R间期，Q-T间期，P-R段，S-T段等，它们各自具有其特定的生理意义。典型的心电图波形如图2-1所示：图2-1 正常的心电图波形
20、所谓心博的一个周期，便是由窦房结发出电脉冲传递至左右心房，首先造成左右心房的收缩(即P波部分)。脉冲到达房室结(AV node)后停滞约O1秒(PR段)，让血液充分流至心室。接着脉冲通过传递纤维传递至左右心室(Q)，造成左右心室收缩(R)，在一连串的电活动后心脏暂时静止，心室等待再极化以恢复带负电状态(T)，从而完成一次心博。心室的去极化与再极化现象分别为QRS与T部分。而心房仅有去极化的P，没有再极化的波形，这是因为心房再极化现象波形小且多半淹没在QRS复合波形中。2.4 心电信号的基本特征心电信号是一种较微弱的体表电信号，成年人的幅值约为1mV，频率在0.01250Hz范围内，属于低频率，
21、低幅值信号，信号源内阻很大（两手臂间内阻约为600K），易受其他信号干扰。心电信号属生物医学信号，具有如下特点：(1)信号具有近场检测的特点，离开人体表微小的距离，就基本上检测不到信号；(2)心电信号通常比较微弱，至多为mV量级；(3)属低频信号，且能量主要在几百赫兹以下；(4)干扰特别强。干扰既来自生物体内，如肌电干扰、呼吸干扰等；也来自生物体外，如工频干扰、信号拾取时因不良接地等引入的其他外来串扰等；(5)干扰信号与心电信号本身频带重叠(如工频干扰等)。2.5 心电干扰的主要来源由于心电信号呈现出低频、高阻抗、信号微弱和随机性强等特性，及其容易受到干扰。对于不同的干扰源，应该采取相应的滤除
22、措施，这是对数据采集必须重点考虑的问题。常见的干扰来源有如下几种：(1)工频干扰供电网络无所不在，因此50Hz的工频干扰5是最普遍的，也是心电信号的主要干扰来源。它主要通过人体和测量系统的输入导线的电容性祸合，以位移电流的形式引入，其强度足以淹没有用的心电信号。因此为抑制干扰，往往需对连接人体的导线和测量系统采取屏蔽措施，并适当进行陷波处理。(2)高频电磁场干扰随着无线电技术的发展，各种频段的无线电广播、电视发射台、通讯设备、雷达等的工作使空中的电磁波大量增加。这些高频电磁干扰也可通过测量系统与人体连接的导线引入，可能引起测量结果的不稳定，严重时会使测量系统不能工作，必须加以抑制。(3)电极极
23、化干扰心电信号的拾取是通过放置在人体体表电极进行的，与电极接触的是电解质溶液(导电膏、汗液或组织液等)，从而会构成一个金属电解质溶液界面，从而导致电化学的作用，在二者之间会产生一定的电位差，称之为极化电压。极化电压的幅度一般较高，在几毫伏到几百毫伏之间。孤立电极不会产生电流，但在生物电测量时通常采用双电极，这时两个电极之间就会构成一个化学电池，电极有电流通过，电极电位偏离平衡值，产生电极极化现象。当两电极保持对称时，极化电压可相抵消。但极化电压与电极材料、电极膏、皮肤状态、病人情绪、温度、极化电流及电极与皮肤的接触情况等因数有关，不可避免产生干扰，特别是在电极与皮肤接触不良以致脱落的情况下更为
24、严重。此外，电极在皮肤表面的移动也会引起电位差的变化。(4)肌电干扰兴奋和收缩是肌肉的最基本功能，在神经系统的控制下，肌肉机械性活动并伴随有生物电活动。这些生物电活动产生的电位差随时间变化的曲线即为肌电图6(Electromygraphy,EMG)肌电通常是一种快速的电变化，其振幅为20uV50uV，其频率范围为2050000Hz。经专家研究表明，肌电干扰主要集中在35Hz，且存在较大的个体差异。(5)测量仪器自身的干扰信号处理所采用的电子设备本身也会产生仪器噪声。这类干扰一般具有较高的频率特性，可以通过低通滤波加以滤除。第三章 系统总体方案设计3.1 系统设计指标供电：3.7V锂电池，可充电
25、、连续供电24小时以上；数据存储：SD卡，体积小、功耗低、拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性；数据显示：TFT彩色LCD，可显示彩色数据；报警方式：GPRS无线传输电路，信息可远距离传输。3.1.1 系统总体结构设计无线心电监测系统具有明显的现代化医疗仪器的特点和家用仪器的特征，除了具有科学性、先进性之外，最重要的是工作可靠、操作简单，在体积、重量、价格、维护、安全等方面能满足家庭和社区医疗的需要。无线心电监测系统作为家庭使用电子仪器，要能由非专业人士操作，作为医生对病人诊断、治疗、观察监护的辅助性设备，需和医院、医生保持良好的通信联系。因此归纳起来对本系统的主要
26、要求如下：(1)不引起创伤，无专业性很强的测试条件要求；(2)自动化、智能化程度高，操作简单、安全、可靠，容错能力强，操作事务不产生严重后果；(3)轻便、小型，便于存放；具有通信、联网功能。根据以上条件，系统整体结构框图设计如图3-1所示。MSP430处理器显示电路存储器电路心电检测电路心电信号PC机无线接收模块无线发送模块数据回放报警电路图3-1 系统整体结构框图无线心电监测系统主要由心电检测电路、心电数据的存储电路、心电数据的无线发送电路、数据显示、数据回放和电源管理等电路构成。无线心电监测系统的工作原理是：由探测电极感应的人体微弱的心电信号首先送入心电检测电路即前端放大、滤波电路，经前端
27、预处理后直接送人信号的采集处理电路进行AD转换。转换后的心电数据一方面送入外部扩展存储器中进行存储、一方面送入微处理器进行实时处理、还有一部分用来进行显示。处理后的心电数据通过串口送入无线发送模块中，借助GPRS移动通信网络将心电数据上传到医院监测中心。医院监测中心对收到的心电数据进行实时处理和分析、并在显示设备上进行心电特征参数和波形的显示，医生根据显示结果对病情进行分析和诊断诊断结果一方面存储在医院监护中心中，一方面通过GPRS网络及时反馈给病人，使病人能够及时了解自己的病情和决定是否采取进一步治疗的措施。3.2 基于无线通信的无线心电监测系统的方案比较采用无线实时监测心电信号的监测仪，利
28、用无线通信技术与监测中心进行数据通讯。由于无线传输无需线缆介质，使用者可以不受时间、地点的限制，随时随地得到监测中心的监测。目前，市场上运用蓝牙、GSM、GPRS(无线分组业务)、CDMA等无线移动通信技术实现的无线心电监测系统应用非常广泛，但由于受到传输距离、无线传输频率等制约，仍未能形成完善可靠的远程在线实时监测产品。将无线通信技术与Internet网技术相结合成为近年来心电远程监测系统研究的又一热点，这两种技术的结合，可以弥补单纯依靠Internet网时造成监测环境相对固定的不足，同时，也可弥补单纯依靠无线技术时只能将受测者的数据在移动监测终端之间传递从而造成传输成本高、数据处理分析手段
29、单一等不足7。主要有以下几种形式：基于蓝牙技术的心电监测系统、基于GPRS技术的心电监测系统、基于CDMA技术的心电监测系统。3.2.1 基于蓝牙技术的心电监测系统蓝牙作为一种短程无线通信技术，由于体积小、功耗低等特点，已成为无线嵌入式医疗设备所考虑采用的基本无线通信技术之一。蓝牙设备能够支持点对点、点对多点的通信，支持的接口一般包括UART、USB和PC卡等，而USB支持在同一个物理通道上处理多个逻辑通道，因此控制、数据和语音通道不再需要额外的物理接口，从而使得蓝牙心电无线监测能够实现数据和语音的实时传输。基于蓝牙技术的监测系统是将家庭心电监测系统通过蓝牙模块与中心工作站进行无线通讯而组成的
30、监测网络。蓝牙模块通常是由两个芯片构成一个芯片组，一块是射频芯片，另一个是基带控制芯片，再加上外加的Flash、天线和电源芯片就可以构成一个蓝牙模块。心电信号经过A/D转换后经蓝牙射频发送给固定接入端，再将接收到的心电数据转换成IP数据包，并送到Internet网。3.2.2 基于GPRS技术的心电监测系统GPRS是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁少量的数据传输，也适用于偶尔
31、的大数据量传输。GPRS可以发挥永远在线、快速登陆、按流量计费等优势，无线心电监测系统无须使用信号电缆，因而简化了结构，降低了成本，具有一定的市场潜力。3.2.3 基于CDMA的心电监测系统CDMA是基于码分多址技术的数字移动电话系统，它是在数字扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术，与使用时分多路的GSM技术不同，CDMA并不给每一个通话者分配一个确定的频率，而是让每一个通信者都使用全部的频率，使大量用户能够共享同一个无线频率。CDMA系统为每个用户分配各自特定的地址码，彼此之间是相互独立、互相不影响的，由于有不同的地址码来区分用户，所以对频率、时间和空间没有特定的限制，利用公共信道来
32、传输信息。CDMA的优点在于：系统容量大、建网成本低、配置灵活、频率规划简单、保密性好、发射功耗小、无线辐射能量低。CDMA-1X标准是CDMA2000的第一阶段，可支持308kbit/s的数据传输，网络部分引入分组交换，支持移动业务，具有较快传输速率，适合应用于远程实时心电监测。目前市场上的CDMA模块有很多，如MG801A收发模块，Bellwave公司的BCM860无线通信模块，WAVECOM Q2358C模块等。结合系统的设计指标，心电数据的无线传输模块选用BENQ公司的无线三频带模块M22。该模块集成有基带处理器、FLASH闪存、RF接口、普通I0口、通用异步收发器、SIM卡接口、电池
33、及LED接口。M22支持GSM语音、数据、传真、短消息及GPRS数据传输业务等，数据传输速率高达1152kbits。M22模块内嵌有TCP，IP协议，能够自动识别波特率。BENQ支持AT命令，主控处理器通过使用AT命令直接控制M22模块进行GPRS数据无线传输。无线心电实时监测系统利用GPRS网络建立在移动用户和数据网络之间的一种连接，实现心电数据的无线远程传输。在该监测系统中采集处理模块与GPRS模块间是通过串行口进行通讯的，通讯协议是AT指令集；GPRS模块与GSMGPRS移动通讯网络的SGSN通讯时遵循点对点协议(PPP)；心电数据经采集处理模块送入GPRS模块，再经GPRS无线网接入I
34、ntemet网，实现无线心电监测系统与远程监测中心的数据传输。第四章 硬件设计4.1 微处理器硬件结构此设计中使用到的微处理器是MSP430，下面对其进行相关介绍。4.1.1 MSP430单片机简介MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。4.1.2 MSP430单片机的
35、特点1）处理能力强MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，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。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。2）运算速度快MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。3）超低功耗MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降
36、低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165A左右，RAM 保持模式下的最低功耗只有0.1A。其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL 和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器（32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。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。由于系统运行时开
37、启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在实时时钟模式下，可达2.5A ，在RAM 保持模式下，最低可达0.1A 。4）片内资源丰富MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控
38、制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器；16 位定时器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、 PWM 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/
39、A 转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。另外，MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5s。4.2 心电检测电路心电检测电路包括对采集到的心电信号进行初步放大、滤波、电平抬升等处理。4.2.1 心电检测电路的总体设计方案通过前面的分析得出心电信号是一种典型的人体生理信号，具有生物电信号的普遍特征，如幅度小、频率低并且易受外界环境干扰，这为采集和测量带来了难度。由于本系统需要进行大量的数学运
40、算，所以对处理器的数据处理能力和速度也有很高的要求。如果选用处理速度很快的处理器，则相应的外设也要有与之相适应的性能指标9。综合各个方面因素，电路设计要求如下：对微弱的心电心电信号进行放大和滤波等必要的信号调理a)设计合理的导联系统，选择合适的传感器。b)设计合理的有源滤波器，能够进行005-100Hz的带通滤波，50Hz陷波。c)实现1000倍的信号放大。d)实现信号电压抬高。4.2.2 心电检测电路的总体结构设计心电检测电路总体结构如图4-1所示：电平抬升带通滤波50HZ陷波前置放大心电信号 图4-1 心电检测电路总体结构由于心电信号是微弱信号，所以设置前置放大器用来放大心电信号；为了抑制
41、基线漂移，设置了0.5Hz高通滤波；由于心电信号属于低频信号，设置了二阶低通巴特沃斯滤波器，消除100 Hz以上的高频成分；为了消除50 Hz工频干扰，设置50 Hz双T陷波电路；为了心电信号不失真，设计了电平抬升电路。本系统选用的前置放大器是AD620A，具有很好的性能，非常适合作为心电信号测量前置放大器，引脚分布如图4-2，其具体规格特性如下：(1)电源供应范围：2.3V-18V；(2)高精度：输人最大偏置电流：1mA；输人最大失调电流：05nA；输入最大失调电压：50V；最大温度漂移：06V；输入阻抗：10G。(3)低杂讯：输入电压噪声(f=1K Hz)：9nV：共模抑制比(增益G=10
42、)：100dB。AD620的增益可调，范围为11000倍，通过调节AD620A的1和8腿之间的Rg的值来实现： （4-1）图4-2 AD620引脚分布图本电路所用的集成放大电路为OP07。引脚分布如图4-3。OP07芯片是一种低噪声的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为75V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。其主要规格参数有：电源供应
43、范围：3V-18V；输入最大失调电压：75V；最大温度漂移：1.3V /。图4-3 OP07引脚图4.2.3前置放大电路的结构设计前置放大是整个信号放大最关键的环节，关系到整个模拟采集部分的工作性能。前面已经对心电信号的干扰因素已经有比较全面和详细的介绍，设计电路时必须把这些干扰因素减小到最小。前置放大器是整个前置放大电路的“心脏”，关系到前置放大电路的性能，因而它的选型非常重要11。本系统主要基于以下三个方面来确定前置放大器的选型。(1)心电测量中，皮肤和电极接触将引起极化电压，如果两个电极完全对称，这种极化电压数值和相位相同，将作为直流共模信号输入到心电放大器；无处不在的工频干扰也是一种共
44、模干扰。因而所选放大器一定要有很高的共模抑制比(CMRR)，共模抑制比高能很好地抑制干扰。心电信号前置放大器的共模抑制比一般要在80dB以上。(2)电极和皮肤接触会存在极化电阻，而被测者身体的移动会导致极化电阻阻抗值发生变化。极化电阻可以看作是整个电路系统源电阻，和前置放大电路的输入电阻进行分压，变化的极化电阻会导致前置放大电路的分压输出处于不稳定状态。所以心电前置放大器必须具有很高的输入阻抗才能减弱心电信号的衰减影响。信号源阻抗一般在数十欧姆到数K欧姆之间，心电前置放大器的输入阻抗应该比源阻抗至少高两个数量级，以保证信号的不失真。(3)由于电子电路温度变化而造成的零点漂移也能严重影响正常的心
45、电信号的检测，因而要采用低温漂的元件，尤其是在选择心电信号放大器时更要选择低温漂的产品，否则会影响放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法放大，心电信号中的低频成分不能得到正确的测量。总之前置放大器的选择要从高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声和低温漂这几个方面着手。前置放大器的性能并不是整个实际电路的性能，还必须辅以合理的电路结构来充分发挥前置放大器的作用。前置放大级最重要的电路参数为共模抑制比参数，很大程度上取决于电路的对称性，本系统采用典型的差分放大电路来作为前置放大级，可以有效地提高共模抑制比，如图4-4和图4-5所示，和接成射极跟随器，可以稳定输入信号和提高输入阻抗和共模抑制比；将和的人
46、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，进一步提高共模抑制比：、和构成浮地驱动电路可将人体共模信号放大后用于激励人体右腿，从而降低共模电压，较强地抑制50Hz工频干扰。极化电压差作为差模直流电压信号输入到放大器，会造成前置放大器静态工作点的偏离，严重会导致放大器进入截止或饱和状态。这种极化电压的存在限制了前置放大级的增益，为了避免截止或饱和，前置放大电路的增益不能太大。本系统设计的前置放大电路的增益为： （4-2）图4-4 前置放大电路（1）图4-5 前置放大电路（2）4.2.4 右腿驱动电路的结构设计心电电极和电力线之间由于存在电容耦合会产生位移电流Id，位移电流大部分从人体流经地，对人体是十分有害的。皮肤与接地间的接地阻抗为Z3，位移电流流经Z3建立共模电压，对微弱的心电信号检测影响很大12。假定Z1，Z2为皮肤和电极1，2间的接触电阻，Id1和Id2为心电电极1，2和电力线之间的位移电流，则导联信号的两个电极输入端A，B因位移电流将产生电位差： （4-3）降低位移电流干扰的一种有效办法是采用右腿驱动法，图4-6为右腿驱动的具体连接电路。由图4-5，右
