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1、本科毕业设计（论文）心电信号采集及分析系统设计燕 山 大 学2010年6月本科毕业设计（论文）心电信号采集及分析系统设计学院（系）：里仁学院电气工程系 专 业：生物医学工程 学生 姓名：XXX 学 号：061203041012 指导 教师：XX 答辩 日期：2010年6月 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的
2、个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：里仁学院 系级教学单位：生物医学工程 学号061203041012学生姓名谭莹莹专 业班 级生物医学工程06-1题目题目名
3、称心电信号采集及分析系统设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容(1)学习心电信号处理的基本理论。(2)学习MSP430单片机的的基本原理。(3)学习心电监护仪硬件电路设计。(4) 设计一套心电信号采集及分析系统目标：掌握心电信号采集及分析系统基本原理及方法，设计一套基于MSP430单片机的心电信号采集及分析系统。毕业设计说明书一本，查阅一篇相关英文参考文献及译文
4、。毕业设计说明书一本，查阅英文参考文献及译文。基本要求查阅有关技术资料，分析研究当前这一领域最新动态。根据需要，给出相应的设计方案。在一定理论推算的基础上进行设计。1遵守毕业设计期间的纪律，按时答疑；2独立完成设计任务，培养基本的科研能力；3设计说明书一份（不少于2万字），A0图纸一张；英文资料翻译不少于5千字；说明书要求条理清晰、文笔通顺，符合毕业设计撰写规范的要求；论文、图纸中的文字符号符合国家现行标准；4. 完成相关的实验，并反映在论文中。参考资料1、有关书籍2、网上查询相关资料周 次第1 4 周第5 8 周第 9 12 周第1315 周第16 17 周应完成的内容资料收集, 了解课题内
5、容理论分析计算、总体设计系统设计分析、综合、校正整理资料、撰写论文，答辩指导教师：李昕职称：教授 年 月 日系级教学单位审批： 年 月 日摘要心血管疾病是威胁人类健康的主要疾病之一，早期诊断和治疗是预防心脏病的有效途径。20世纪50年代末，美国科学家Holter首先发明了一种心电仪，人们称它为Holter心电仪或叫动态心电仪，这种技术在临床上可实现“长时间”、“动态”记录的心电图，就称为动态心电图。能够记录病人24小时活动过程中的动态心电数据，给医生提供具有诊断价值的资料，对于心脏功能的评价，心脏病的早期诊断非常有益，所以心电监护仪在其中发挥着至关重要的作用。本课题采用MSP430149单片机
6、作为核心器件，主要完成对心电信号的24小时不间断采集、传输、存储、显示等功能。关键词心电信号；动态心电图；MSP430单片机 AbstractCardiovascular disease is one of main diseases that threat human healthand the early diagnosis and treatment are effective ways that prevent heart disease。In the late 1950s in U.S. a scientist called Holter have invented the firs
7、t such dynamic electrocardiogram instrument, people called Holter monitor or Dynamic electrocardiograph, this technology can be realized in clinical long and dynamic of ECG records, known as HOLTER.Its very helpful to cardiac function in the early diagnosis that if it can record the patient 24 hours
8、 of dynamic ECG data process and provide the doctors materials that has diagnostic value in the evaluation.This subject uses msp430 single chip as the core device. The whole system mainly displays collection, storage, transport, display function for 24-hour uninterrupted ECG signal collection.Keywor
9、ds ECG signal；dynamic electrocardiogram （DCG）；Holter；msp430；目录摘要IAbstractII目录2第1章 绪论11.1课题研究意义11.2国内外研究现状与文献综述31.3设计主要研究内容与系统总体设计4第2章 心电图的产生和特征62.1 体表心电图62.2 心电的产生62.3 各波形的意义82.4 常见的心律异常类型及特征92.5 心电图的导联102.6 心电信号的特征112.7 心电信号常见干扰122.8 本章小结13第3章 心电检测电路设计143.1 心电信号放大器设计要求143.2 电极的选择163.3 保护与缓冲电路163.4
10、前置放大电路173.5 滤波电路203.5.1 低通滤波电路203.5.2 高通滤波电路203.6 右腿驱动电路213.7 电平提升电路223.8 导联脱落检测报警电路223.9 本章小结23第4章 控制、存储及接口电路设计244.1 中央处理器及其外围模块244.1.1 芯片的选型244.1.2 ADC模块244.1.3 定时器244.2 USB数据传输274.3 数据存储294.4 时钟日历芯片304.5 液晶显示314.6 本章小结32结论33参考文献3致谢4附录15附录26第3章 心电检测电路设计3.1 心电信号放大器设计要求 由于人体的心电信号有微弱、低频、易受干扰、不稳定、随机等特
11、点，因此对动态心电图的心电放大器的设计有很苛刻的要求。1增益由于心电信号非常微弱，只有0055mV，而心电放大器增益的常规设计要求心电在正常输入时，即输入为1mV时，输出电平达到1V左右(A/D转换器的最大输入电压为3.3V)，所以心电放大器的放大倍数很高，为1000倍左右。2频率响应由于人体心电信号的频谱范围为0.05100Hz，能量主要集中在17Hz附近。而按照美国最新标准要求，动态心电图频带应不窄于O.6740Hz，所以，要求心电放大器在此频率范围内必须不失真地放大所检测的各种心电信号，为了减少不需要的带外噪声，心电信号用高通和低通滤波器来压缩通频带，经过这样的心电放大器心电信号才具有可
12、靠的诊断价值。3高输入阻抗心电放大器输入阻抗的设计取决于人体的阻抗特性，所使用的电极类型以及与人体的接触界面。心电放大器通过电极连接到人体身上。由放大器的输入端向人体方向看去，从电极、导电膏、皮肤(角质层、粒层、汗腺)、组织液到心脏外壁形成了信号源阻抗，这个源阻抗可看作由一组串并联的电阻及电容组成。在低频的情况下，这个源阻抗为纯电阻。显然它包括人体电阻(R)、皮肤电阻及电极与皮肤的接触电阻()那么电阻=R。(R)。人体内组织液是一种电解质，所以R与组织液离子浓度有关。不仅与皮肤和电极接触松紧有关，还与皮肤的干湿、清洁度及每个人角质层的厚薄有关。由于心电信号源阻抗具有高阻抗的特性，而心电信号是微
13、弱的，若心电放大器的输入阻抗不高，那么经过分压后，心电放大器输入端的信号就非常微弱了。心电信号损失严重，而且信号源过负荷使心电信号产生畸变。信号源阻抗不仅因人而异，因生理状态而异，而且在测量时，与电极的安放位置电极本身的物理状态都有密切的关系。源阻抗的不稳定，将使放大器电压增益不稳定从而造成难以修正的测量误差。所以只有较高的输入阻抗，才能确保增益的稳定性。设两个电极与皮肤的接触电阻为、，如果不等于，不可避免的就会把共模干扰信号转化为电路无法克服的差模信号只有增大心电放大器的输入阻抗，才能减少其影响。此外，由于心电放大器的测量对象是人体，易受工频、射频等干扰，只有提高输入阻抗，才能有效地抑制这些
14、干扰。信号源阻抗一般在数K至数十K之间，心电放大器的输入阻抗应该比源阻抗高两个数量级，故一般取5.1K或10K，才能不失真地引出心电信号。4高共模抑制比电极与皮肤接触引起的极化电动势可作为直流共模干扰输入到心电放大器，其值可能达到数百毫伏的程度，远比心电信号大得多。而且心电信号的探测要受到现场很多电气设备运行时的干扰，尤其是市电的共模干扰，还有其他共模干扰常把微弱的心电信号淹没。共模抑制比(CMRR)是衡量心电放大器对共模干扰抑制能力的一个重要指标，也是克服温度漂移的重要因素。为了防止心电信号的输出被淹没在50Hz、电极极化电压或其他共模干扰电压之下，一般要求CMMR应达到80dB以上。5低噪
15、声，低漂移在心电放大器中，由于增益较高，噪声和漂移是两个较重要的参数。心电放大器运行过程中的噪声主要表现为电子线路的固有热噪声和散粒噪声，这都属于白噪声，其幅值成正态分布。为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。所以在设计心电放大器时应尽量选用低噪声元件，以降低噪声并进一步提高输入阻抗。另外，温度变化会造成零点漂移，心电放大器基线漂电放大器的输入端引入了直流电压增益的缘故，电极和电极本身电阻的变化和电极电位的改变都会增大基线漂了放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法被放大很低的频率成分，为了能正常的测量，必须采取措施来限所以放大器应选用低漂移、高输入阻抗并具有高共模抑
16、路。总的来说，动态心电图的心电放大器的设计有如下要求(1)增益为800lO00左右；(2)频率响应为0.0545Hz：(3)输入阻抗为5.110M；(4)共模抑制比大于80dB；(5)低噪声、低漂移。另外，考虑到监护仪的便携特性，所以在选择运放应注意体积的特性，以便更好地降低整机的功耗和体积。3.2电极的选择电极对动态心电信号的采集的质量至关重要，采用电极应粘附力强、透气性好、吸汗、电极导电性能好的优质电极，此外还应具有对皮肤刺激性小、佩带舒适、拆卸方便等优点。本课题采用表面镀有AgCl的可拆卸的一次软电极，并在电极上涂有优质的导电膏。3.3保护与缓冲电路为了确保病人的与仪器的安全，本课题利用
17、TVS-90放电管作为保护电路，当仪器与人体接触时，电压过大时，会将TVS-90导通，直接接地，也防止了后面的器件损坏。电极采集到的心电信号首先进入缓冲级。缓冲级可以提高整个放大电路的输入阻抗，降低输出阻抗。这样就可以在后面的匹配电阻网络中得到幅值较高的信号。图3.1 保护与输入缓冲电路3.4 前置放大电路生理电信号前置放大器是生理电测量仪器的重要组成部分，其作用是将微弱信号高保真放大，以便进一步处理、记录或显示。一般设计中均采用对地对称的双电极差动放大器，被测的生理电信号采用差动输入方式，成为差模信号；而干扰信号，尤其是落在大多数生物电信号频谱范围之内的工频干扰对差动放大器的输入端来说，主要
18、是一种大小相等，极性相同的共模信号。因此，在生理电信号记录过程中，要求前置放大器有较高的抗共模干扰能力。三运放仪用放大器是最常使用的生理电前置放大器。它不但可以提供很高的输入阻抗，而且如果第一级设为高增益，无须匹配就可以得到高共模抑制比。可以有效地抑制工频干扰等共模噪声。然而，在生理电测量中，由于电极在人体表面的安放部位不同使得电极与皮肤间的电阻抗也不同，导致在放大器的输入端有几毫伏以上的直流电压，加上人体表面各部位还存在一定的电位差，信号检测放大器的输入端总会存在比有用信号大几十倍的直流信号，这样就限制了“三运放”第一级的增益。从而限制了共模抑制比的进一步提高。本设计采用的生物前置放大器电路
19、结构简单，可以在抑制直流干扰的情况下，提供极高的共模抑制比。该电路设计突出的优点是对外围无源器件的参数不敏感，即使采用低成本的常用芯片，无须刻意匹配仍然可以达到良好的性能，尤其适合生理电信号的高精度测量。图3.2 前置放大电路电路设计如图3.2所示。该电路由四部分构成：并联型双运放仪器放大器，阻容耦合电路，由集成仪用放大器构成的后级放大器和共模信号取样驱动电路。并联型双运放仪器放大器的优点是不需精密的匹配电阻，理论上它的共模抑制比为无穷大，且与其外围电阻的匹配程度无关。但并联型双运放仪器放大器的输出为双端差动输出信号，如果仅用单端输出信号时将不再具有这一优点。所以本电路在后级使用集成仪用放大器
20、U4，将双端差动输出信号转换为常用的单端输出信号。集成仪用放大器具有较优良的性能，但由于其共模抑制比正比于差模增益，而同时器件存在较高的失调电压和通常信号源中存在较大的直流偏移电压(如检测生理电信号时的极化电压和传感器中的零点偏移电压)，在直接应用集成仪用放大器作为前置放大器时并不取得最高的共模抑制比性能。于是本电路在后级使用集成仪用放大器，并采用阻容耦合电路隔离直流信号，因而可使得集成仪用放大器取得较高的差模增益，从而得到很高的共模抑制比性能。共模取样驱动电路由两个等值电阻和一只由运算放大器U2组成跟随器构成。由图可见，U2的输入信号取自U1和U3输出端两个串联电阻的中点电压，即： 当只有差
21、模信号的输出=-时，有=O，则运放U2的输出电压为0，等同于接地；而当兼有共模电压和差模信号输入时，U2的总输出只包含输入信号的共模部分=。从而使得共模信号不经阻容耦合电路的分压直接加在集成放大器的输入端，避免了由于阻容耦合电路的不匹配而降低电路整体的共模抑制比。本电路的差动输出可以由下式计算： 其中是集成仪用放大器U4的差模放大倍数。该电路的高通截止频率可以表示为： 整个电路的共模抑制比可以由下式来计算： 其中和分别是放大器第一级和第二级的共模抑制比。由集成仪器放大器的共模抑制比决定。在第二级放大倍数比较高的情况下，的值可以达到120dB以上。对的影响可以忽略。的值则可以由下式得到： 其中：
22、、和、3是运放U1、U3的开环差动增益和共模增益。上式显示为了得到较高的共模抑制比，第一级的两个运放无论是开环增益还是CMRR都应尽可能地匹配。在实际应用中，以廉价常用的精准仪用放大芯片OP07C为例，其的标准值为400，000倍，CMRR的标准值为120dB，以标准值来计算，。如果所选用高精度、匹配较好的运放，和的值还可以大幅度提高。3.5 滤波电路3.5.1低通滤波电路由于电磁干扰越来越严重，所以心电信号在采集过程中不仅有50Hz的工频干扰和低频、直流分量的干扰，还有高于100Hz高频谐波的严重干扰，有必要进行低通滤波电路的设计。图3.3 低通滤波电路3.5.2高通滤波电路由于心电信号微弱
23、，需要多级放大，而多级直接耦合的直流放大器虽能满足要求，但多级直接耦合的直流放大器容易引起基线飘移。此外，由于极化电压存在的缘故，动态心电图机的直流放大器更不能采用多级直接耦合。本装置中，在两级放大器之间采用RC耦合电路，即时间常数电路，在隔离直流信号的同时达到高通滤波的效果。我们取时间常数约为3.2s，这样可确定电阻、电容值，在两级之间组成高通滤波器。可得转折频率为：图3.4 高通滤波电路3.6 右腿驱动电路人体接地是造成触电事故的一个重要原因，因此取消人体接地是最根安全用电措施。人体接地本来就是在没有高质量的放大器情况下采取少共模信号的应急措施。测量心电图时，如果病人右脚不接地，由于杂散分
24、布电容的影响，病人身上将会产生很高的共模电压。因此，最理想的方法是设计出一种既能减少共模干扰又能取消人体接地的电路。右腿驱动的工作原理是将由人体体表获得的共模电压通过负反馈放大的方式输回人体，从而达到抵消共模干扰的作用，从根本上抑制共模电压。图3.5 右腿驱动电路3.7电平提升电路经过模拟电路放大滤波后的心电信号是交流信号，而MSP430系列单片机的转换范围是正电压信号，所以有必要将模拟信号抬升至0V以上，根据对MSP430单片机的参考电压设置为2.5V的情况，在后级设置一定的可调放大倍数，并使用微型电位器，以便根据实际需要进行调整。图3.6 电平提升电路3.8 导联脱落检测报警电路患者在使用
25、心电监护仪时有可能发生导联松动和脱落，这将引入很大的干扰，导致心电波形畸变，使得心电监护终端难以输出实际波形，从而导致对心电信号的错误判断，影响诊断结果。正常情况下，正负电极对人体皮肤形成的极化电压可以相互抵消，当一侧电极脱落时，将有较大的极化电压输入，经过前置放大后的电压将远远超过正常连接时的电压范围。因而可通过一个窗口比较器，当电压超出窗口范围时，认为发生电极脱落，比较器输出电平由正常时的高电平变为低电平，产生报警信号。电路如图3.7所示，当导联脱落时，红色指示灯会亮起提示脱落。图3.7导联脱落检测报警电路3.9本章小结本章详细介绍了心电信号的采集与处理过程，根据前一章所述的心电信号的特点
26、和噪声干扰，提出前置放大器的设计要求，给出了详细的设计方案，对各个模块电路的功能做了详尽的阐述。第4章 控制、存储及接口电路设计4.1 中央处理器及其外围模块4.4.1芯片的选型本系统的核心器件无疑是负责调配各外围部件有序工作的微处理器。在电子技术高速发展的今天，市场上可供选择的处理器有很多种，最常见的有单片机、DSP、PLC、ARM等。处理器的选择不仅要看其处理能力，还要考虑其他一些因素，比如价格、功耗等。经过对几种嵌入式平台的比较，本系统病人心电监护终端硬件核心处理器采用美国德州仪器公司生产的低功耗16位单片机MSP430F149。MSP430具有如下特点：首先，它的突出优势是功耗小。MS
27、P430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。它在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。MSP430可通过两个不同的系统时钟系统基本时钟系统和锁频环(FLL和FLL+)时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统产生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。系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPMO、LPM4)。在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA。第二，除了低功耗之外，MSP430还具有强
28、大的处理能力，其芯片具有一个16位精简结构指令CPU，10个16位的寄存器以及常数发生器，能够最大限度的提高代码的效率。数字控制的振荡器(DCO)将CPU从低功耗模式唤醒的时间仅为6微秒。MSP430F449采用RISC精简指令集，125ns指令周期，大部分的指令在一个指令周期内完成，且其片内含有硬件乘法器，大大节省了运算的时间。第三，MSP430具有丰富的片内外围电路，它内置12位高性能A/D转换器、两个带有捕获计时寄存器的16位定时器、60KB的FLASH ROM、2KB的RAM、48个可复用I/O引脚和两个通用同步/异步串行通讯接口等。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决
29、方案提供了极大的方便。除此之外，MSP430F149开发平台提供了方便高效的开发环境。由于它属于FLASH型器件，相对于OPT型和ROM型的器件，它有JTAG调试接口，还有可擦写的FLASH存储器，可先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行。采用这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。MSP430系列单片机的系统结构框图如图4.1所示：图4.1 MSP430系列单片机的系统结构框图MSP430系列由以下部分组成：基础时钟模块，包括1个数控振荡器(DCO)和2个晶体振荡器。看门狗定时器Watchdog Timer，可用作通用定时器。带有2个捕捉比较
30、寄存器的16位定时器Timer_A3。带有7个捕捉比较寄存器的16位定时器Timer_B7。2个具有中断功能的8位并行端口：P1与P2。4个8位并行端口：P3、P4、P5与P6。模拟比较器Comparator_A。12位A，D转换器ADCl2。2个串行通信接口：USART0与USART1。1个硬件乘法器。4.4.2 ADC采样模块根据系统要求，在考虑所要采集信号范围、采样频率、精度要求、转换速率、环境条件、计算机接口特征及成本的前提下，本系统中采用MSP430F149内部集成的ADC 12模块进行AD转换。ADCl2内核是一个带有采样与保持功能的12位转换器；内部参考电压发生器，同时有两种参考
31、电压值可供选择；采样与转换过程中所需要的时钟信号源可以选择；采样及转换所需的时序控制电路；转换结果有专门的桶型缓存；采样速度快，最高可达200kbps；12位转换精度，l位非线性微分误差，1位非线性积分误差；内置采样与保持电路；有多种时钟源可提供给ADCl2模块，而且模块本身内置时钟发生器；内置温度传感器；配置有8路外部通道与4路内部通道；内置参考电源，而且参考电压有6种可编程的组合；模数转换有4种模式。可灵活地运用以节省软件量及时间；ADCl2内核可关断以节省系统消耗例。ADCl2可以对8个外部模拟信号之一或4个内部电压之一作转换，由ADC内核把模拟信号转换成12位数据并存入转换存储寄存器。
32、ADCl2内核使用两个可编程的参考电压(和)作为转换范围的上下限。输入通道和参考电平由转换存储控制寄存器定义。ADCl2工作时可以用内部参考电平，或者外部参考电平，也可以是两者的结合，ADCl2有内部的两种参考电平，可以选择1.5V或2.5V。为避免电源电压波动对A/D转换造成干扰，我们采用了内部参考电压1.5V，提高精度。对于ADCl2的转换时钟，用户有各种选择来形成采样的时序。ADCl2可以选择所有有效的MSP430片内时钟，也可以选择一个外围模块所含的时钟，此处选择的时钟为低频时钟，可以节省功耗。对于选择的时钟源可以引入一个18的分频因子。4.4.3 定时器定时器在单片机系统中是非常重要
33、的部分，它在事件控制与管理方面有着重要的应用。MSP430F149主要有看门狗（WDT）、基本定时器（Basic Timer1）、定时器A(Timer_A)和定时器B(Timer_B)等模块。在本系统软件设计中，我们使用Timer_A作为了心电信号AD转换的定时器，将定时周期设定为500Hz，实现了对心电信号的500Hz采样率。定时器A是一个16位的定时/计数器。它有3个捕获/比较寄存器。定时器A能支持多个时序控制、多个捕获/比较功能和多个PWM输出。定时器A有广泛的中断功能，中断可以由计数器溢出产生，也可以由捕获/比较寄存器产生。定时器A有以下的特点：16位的计数/定时器，共有4种模式。可以
34、选择设置时钟源。多个捕获/比较寄存器。异步的输入/输出锁存。具有中断向量寄存器，能快速译码定时器A产生的中断。用户对定时器A的所有操作都是通过操作该模块的寄存器完成的。定时器A的寄存器主要有TACTL、TAR、TAIV、CCTLn和CCRn。4.2 USB数据传输要实现数据的大量存储，需要将数据上传至上位机。USB接口是近年来迅速发展的接口标准，目前几乎所有的新型计算机的外设上都使用USB接口，它有数据传输速度快、连接简单、兼容性好等特点。考虑NUSB接口的先进性以及目前使用的广泛性，本系统使用USB接口实现数据通信就完全可以满足系统的要求。考虑到单片机芯片具有RS232接口，此处我们通过一种
35、RS232转USB的芯片CP2101来实现传输功能。CP2101是一种单芯片USB转UART的桥接器解决方案。该芯片包含一个USB20全速功能控制器EEPROM，缓冲器和带有调制解调器接口信号的异步串行数据总线。CP2101的UART接口包括TX(发送)和RX(接收)数据信号以及RTS，CTS，DSR，DTR，DCD和RI控制信号。CP2101具有很多的优点：(1)高度集成。片内集成512字节EEOROM(用于存储厂家ID等数据)，片内集成收发器、无需外部电阻；片内集成时钟，无需外部晶体。(2)低成本，可实现USB转串口的解决方案。CP2101的USB功能无需外部元件，而大多数竞争者的USB器
36、件则需要额外的终端晶体管、上拉电阻、晶振和EEPROM。具有竞争力的器件价格，简化的外围电路，无成本驱动支持使得CP2101在成本上的优势远超过竞争者的解决方案。(3)具有低功耗、高速度的特性，符合USB20规范，适合于所有的UART接口(波特率为300bps921.6kbps)。工业级温度范围为-4085。(4)具有较小的封装。CP2101为28脚5mmx5mmMLP封装。这在PCB上的尺寸就比竞争对手小30左右。MSP430F149有两个串行口，此处使用串行口1与CP2101连接，CP2101有个集成的内部振荡器和USB收发器，所以无需其它外部USB电路组件。连线图如图4.2所示：图4.2
37、 CP2101电路图4.3数据存储24小时采集的心电信号数据量计算如下：采样率500点/s，每个点用8位表示则数据量为。这样大的数据量可以采用Flash或者移动存储卡的形式存储。考虑到SD卡能用读卡器直接读入PC机，所以将SD卡作为存储设备。SD卡(Secure Digital Memory Card)是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，由松下、东芝和SanDisk公司共同开发研制，体积小，但拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性和很好的安全性。SD卡集合了SanDisk快闪记忆控制和MLC(Multilevel Cell)技术和东芝NAND技术，通过9针的接口与专门的驱动器
38、相连接，不需额外的电源来保持其上的记忆信息。传输速率高达20MB/S，并且具有物理写保护开关，保证数据的安全性。SD存储卡定义了两种可选择的通信协议：SD模式和SPI模式。主机能自动选择其中任意种模式。当接收到主机的复位指令后，卡能检测到主机要求的模式，并在这种通信模式下进行下一步的通信。SD通信协议又分为1位总线模式和4位总线模式。最新的SDIO卡规范规定高速I/O卡必须支持SD存储卡的所有通信模式。SPI接口协议首先是由Motorola公司提出来的，现在广泛存在于各类微型控制器中。SPI总线系统是一种同步串行外设接口，允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换。SPI系统可直接与
39、各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，SPI系统一般使用4条线：串行时钟线CLK、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机片选线CS。模块电路图如图4.3所示。CLK、MISO、MOSI和CS四线构成SPI通讯接口，分别与单片机MSP430F149的P3.0-P3.3口相连，因为这四个端口有第二复用功能，即SPI接口。另外CD(Card Detect)和WP(Write Protect)都是SD卡槽自带的硬件功能(部分卡槽不带此功能)，将它们分别与单片机的P1.0和P1.1口相连，用于检测当前SD卡是否插入，以及写保护是否打开，然后将这些状态通过液
40、晶界面显示出来，供用户选择。本设计具体采用金士顿1GB的SD卡作为存储设备，它在容量和功耗上完全满足设计需求。图4.3 SD卡连接电路图4.4时钟日历芯片时间是心电信号分析中一个很重要的参考项,所以时间对本系统来说是一个非常关键的参数。为了给医生诊断提供详细的心电数据和资料，我们必须记录下各段心电信基于MSP430超低功耗MCU的便携式心电监护仪及其系统的研究；因此我们在系统中加入了实时时钟芯片X1208，它是一个SOP封装的8脚的芯片,X体积仅为5mmX4.9mm。X1208是Xicor公司生产的低功耗CMOS型实时时钟集成电路。双端口时钟和报警寄存器可使时钟即使在读写操作期间也能精确地工作
41、。它通过I2C总线方式可与各种单片机接口，具有日历、时钟、计时，可编程定时中断等功能，并提供闰年校正。它有两个独立的闹钟，报警可按秒、分、时、日、月及星期设置。报警输出可作中断请求信号。工作电源及备份电池电源都有宽的电压范围。X1208是标准的I2C总线接口，具有操作简单的特点。4.5液晶显示液晶是介于液体和晶态固体之间的一种各向异性凝聚流体，它既像液体那样具有流动性，又像晶体那样具有光学上的各向异性。从微观结构看，液晶材料的分子形状都是各向异性的，并且具有固有电矩，所以有极性。当受到外电场的作用时，液晶会发生湍流。撤除电场后，分子长轴又重新平行排列起来，沿该方向又恢复透明。我们正是利用液晶的
42、这种效应显示图像和字码的。液晶显示屏(LCD)是由不同部分组成的分层结构。显示屏由两块玻璃板构成，其间由包含有液晶材料的均匀间隔隔开。液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜。背光板是由荧光物质组成的可以反射光线。它的作用主要是提供均匀的背景光源。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。液晶显示屏一般分为段式和点阵式。点阵式中的点相当于段式中的段，由于点很多，可以显示更为复杂的内容。在本监护终端设计中，我们采用了RTl2864CT点阵式液晶显示器
43、显示菜单和心电波形。 RTl2864CT点阵式液晶显示器(LCD)是一个12864点阵显示模块，它的外形尺寸为540ram500mm75mm，具有体积小、质量轻、功耗低等优点。它是STN黄绿模式，EL背光，可以完成图形显示也可以显示汉字。液晶显示器具有8位标准数据总线，6位控制线以及电源线，背光亮度可以通过电位器来调节。液晶显示器LCD与单片机的连接电路如图4.4所示。液晶显示控制模块中使用RS，R/W，E，CS1，CS2作为与MSP430数据总线接口的控制信号。RS是数据指令控制信号，它控制存取的方式，可实现读写指令或接受数据。R/W是读写控制信号，高电平时液晶显示器工作在读模式，低电平时工
44、作在写模式。CS1、CS2是片选信号，高电平有效，控制液晶的左右半屏显示，当CS1为高电平时，液晶左半屏显示；当CS2为高电平时，液晶右半屏显示。系统中所使用的RTl2864CT液晶显示器内置有DC/DC转换模块，所以不用另外发生调节液晶对比度所需的负压，直接从电源分压即可得到驱动LCD所需的电压值。图4.4 LCD显示接口单元4.6 本章小结本章设计制作单片机外围电路，包括USB接口电路、存储电路、液晶显示电路等，构成心电存储及显示部分。此设计以MSP430系列单片机MSP430F149微处理器为核心器件，自带AD转换器，完成了数据采集与转换功能；扩展了USB接口，完成了传输功能。选择1GB
45、的SD卡，完成了数据的存储功能；扩展了液晶显示器，完成数据显示功能。结论参考文献1 胡大可MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用北京：航空航天大学出版社，2003，20502 秦龙MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲北京：电子工业出版社，2006，1501563 康华光电子技术基础(模拟部分)，高等教育出版社，19894 米昶，董峰，解统燕等Protel DXP 电路设计基础教程，北京：机械工业出版社，2004.65 张小琴，祖静，张瑜基于MSP430单片机的实时数据采集系统设计太原：中北大学，2008.66 余学飞现代医学电子仪器原理与设计广州：华南理工大学出版社 2007.97 彭勇医学生理学秦皇岛：燕山大学，2006.68黄磊，万遂人，冒懋基于MSP430的便携式无线心电监护仪的设计 东南大学生物科学与医学工程学院；皖南医学院生物医学工程教研 2008.89 刘圹彬，王志巧，刘函琳等基于MSP430F247嵌入式单片机的无线心电监护系统成都：四川大学电气信息学院，2008,810 袁媛，沈小林，王忠庆基于MSP430心电信号数据采集与传输分析太原：中北大学电气工程系，2009.111 朱大缓非接触式心电检测系统的研究成都：西南交通大
