移动式心电信号检测分析仪的设计Word文档格式.docx
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由于人体为一个容积导体，这种电变化也必须扩布到身体表面。
鉴于心脏在同一时间内产生大量的电信号，因此，可以通过安放在身体表面的胸电极或四肢电极，将心脏产生的电位变化以时间为函数记录下来，这种记录曲线称为心电图，如下图所示。
图1.1心电图
心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。
心肌细胞的生物电变化时心电图的来源，但是心电图曲线与单个心肌细胞的膜电位曲线有明显的区别。
ECG波形是由不同的英文字母统一命名的。
正常心电图由一个P波、一个QRS波群和一个T波等组成。
P波起因于心房收缩之前的心房极时的电位变化；
QRS波群起因于心室收缩之前的心室除极时的收位变化；
T波为心室复极时的电位变化，其幅度不应低于同一导联R波的1/10，T波异常表示心肌缺血或损伤。
ECG的持续时间由：
P-R间期（或P-Q间期）为P波开始至QRS波群开始的持续时间，也就是心房除极开始至心室除极开始的间隔时间，正常值为0.12～0.20s，若P-R期延长，则表示房室传导阻滞；
Q-T间期为QRS波群的开始至T波的末尾的持续时间，意为心室除极和心室复极的持续时间，正常值为0.32～0.44s；
S-T段为从QRS波群终末导T波开始之间的线段，此时心室全部处于除极状态，无电位差存在，所以正常时与基线平齐，称为等电位线，若S-T段偏离等电位线一定范围，则提示心肌损伤或缺血等病变；
QRS波群持续时间正常值约为0.06～0.11s。
因此，实时的检测心电信号，可以从所得出的心电图上观察心脏的变化，医生就可以从所测的心电图上判断心脏各个部位的功能是否正常，所以心电图是
医生治疗心脏方面的疾病所不可或缺的依据。
因此心电检测就有了实际应用的意义。
移动式心电信号检测分析仪简介
本文介绍了一种移动式心电信号检测分析仪。
与其它心电图机的突出不同之处在于，本系统采用新型低功耗的16位单片机--MSP430F135作为整个系统的控制核心，并配备相应的16位低功耗存储器AT29LV1024和液晶显示模块LMS0192A，从而简化了系统硬件电路，同时也大大降低了系统成本，因而该心电图机具有极为广阔的应用前景。
心血管疾病是一种较为普遍的疾病，随着生活节奏的加快，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护并且能在比较危急的情况下进行及时的诊治；
同时，如果长期住在医院里面进行监护和治疗，那样花费高而且也给医院带来了不小的门诊压力。
心电图机是诊断心脏病的重要仪器之一，目前市场上有多种心电图机，但是这些心电图机都不太适合在家庭中使用。
为此，一种能够在家庭中应用、操作简单、价格便宜的低功耗家用电图机的设计方案应运而生。
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组件、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。
移动式心电图机的设计正是顺应这两个大趋势。
因此，移动式心电信号检测分析仪在国内外都是一种新型产品，具有极大的市场发展潜力。
第1章总体方案设计
移动式心电信号检测分析仪的功能需求
为了实现心脏的"
健康监护"
和"
移动门诊"
，该移动式心电信号检测分析仪具有以下基本功能：
●利用液晶显示系统实时显示心电波形和工作菜单；
●可以由键盘输入用户姓名，日期等信息；
●利用外部存储器将需要存储的心电信息保存以便日后作为诊治参考；
●利用打印机将心电图打印存档；
●可整理保存用户的记录信息；
●多种操作模式，自动，手动操作可以任意选择；
●可以方便的将从人体采集到的心电信号传送到相关的医疗机构
考虑到用户实际使用的需要，移动式心电信号检测分析仪还必须满足以下的特点：
●抗干扰能力强；
●体积小，重量轻，携带方便；
●操作简单；
●功耗低；
●为了得到广泛推广使用，生产成本要低，必须有比较好的性能价比。
2.2系统总体设计及框图
该移动式心电信号检测分析仪采用的是干电池供电，而干电池供电需要解决的一个基本矛盾是：
低功耗要求系统采用比较低的时钟频率而与此同时要求系统对一些基本的操作能够快速反应和启动，这就要求系统最少具备两种高低不同的频率，必要时两种频率可以切换使用。
正因为MSP430F135具有丰富灵活的时钟模块，所以本系统选取它来作为控制核心，与此同时还选用了与之配套的低功耗外部存储器AT29LV1024和液晶显示模块LMS0192A。
德州仪器公司所提供的MSP430为高整合、高精度的单芯片系统，是目前工业界中具有最低功耗的flash16-bitsRISC微控制器。
MSP430F135具有强大的处理功能和丰富的外围模块，可方便地实现心电信号的采集、处理、存储、打印以及传输。
另外，将其作为系统的控制核心，可以极大地简化整个硬件电路和提高系统的性价比。
心电信号由电极或导联线从人体采集，经放大、滤波处理后进入单片机进行A/D转换，送液晶显示。
如需存储则按下存储键后心电数据就会存储到外部存储器中，而且在需要回放、打印、传输时，可以直接从外部存储器中调出使用，进而实现各种功能。
可以直接利用网络或电话将移动式心电信号检测分析仪所监测的数据传送到相关的医疗机构，经过诊断、处理之后由医疗机构反馈回来，因而方便和高效地实现了"
家庭门诊"
健康监测"
，既节省了用户开支又相对减轻了医院的门诊压力。
本系统采用了图1所示的电路结构。
USB
电极通道
导线
图2.1移动式心电信号检测分析仪总体框图
第2章心电信号采集及调理
简介
人体的心电信号是一种低频率的微弱信号，由于心电信号直接取自人体，所
以在心电采集的过程中不可避免会混入各种干扰信号。
为了获得含有较小噪声的心电信号，需要对采集到的心电信号做降噪处理。
目前对心电信号的降噪有多种方法，本文主要从滤波的方面介绍将噪声从信号中分离心电信号属医学生物信号，它一般具有以下特点：
随机性较强，即信号无法用确定的函数来描述，而只能是用统计的方法，从大量测量结果中看其规律；
噪声背景强，即要测的有用信号往往淹没在许多无用信号中。
常规心电信号的频带范围是0.05HZ-100HZ，在此频带范围内包含了心电信号的主要能量成分。
由于心电信号是mv级的信号，因此对于干扰环境而言，它是非常微弱的信号。
基于以上特点，对于这种微弱信号就必须采用抑制噪声的处理技术。
对于心电信号来说常常需要考虑的干扰主要有：
工频干扰，它是由电力系统引起的一种干扰，由50HZ及其谐波构成，如肌电干扰，如呼吸对心电的干扰.从心电电极得到的心电信号先要经过前置放大电路，被处理后的信号具有低噪声、低漂移、低共模抑制比等性能。
这时候的心电信号主要受到工频、肌电等信号的干扰。
图3.1心电图机模拟部分硬件结构
在图3.2中，心电信号经过前置放大电路后送到陷波器1中，陷波器1的作用是消除频率为50HZ的工频信号。
由于心电信号是属于非常微弱的低频信号，因此工频信号中，倍频为100HZ的谐波仍然对心电信号有较大的干扰，陷波器2的作用就是消除该谐波。
工频中的其余高次谐波可经后级的滤波器滤掉。
为了消除频带以外的肌电等干扰信号，还需要对信号进行带通滤波。
图1中，经陷波后的心电信号送到滤波器1和滤波器2中。
这2个滤波器分别是0.05HZ高通滤波器和100HZ的低通滤波器。
心电信号需经过2次陷波和2次滤波以实现消噪的目的，得到较为光滑的波形。
图3.2信号调理电路框图
信号调理电路主要包括：
放大器、带通滤波器、陷波器等。
3.2放大电路部分
图3.3心电前置放大电路
人体心电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，一般只有0.05-5mV,频谱范围为：
0.05-100HZ,心电信号正常输出时其幅值约为1mV,而A/D转换器的输入电平要求到达1V左右，即心电放大倍数约为1000倍，由于肌电干扰可能造成前置放大器静态工作点的偏移，甚至截至饱和，所以前置放大器的增益不能太大。
我们选用AD620仪表放大器作为系统前置放大器，它具有低噪声、低漂移、高共模抑制比、高输入阻抗等特点。
它的增益通过1脚和8脚的电阻Rg来调节，可达1－100倍，计算公式为：
G＝49.4/Rg+1。
我设计初级放大倍数在七级左右，选用精度为0.01％，阻值为8.25的精密线绕电阻，后级选用TL064将信号放大到A/D转换器的输入电平要求。
在一般讯号放大的应用中通常只要透过差动放大电路即可满足需求，然而基本的差动放大电路精密度较差，且差动放大电路上变更放大增益时，必须调整两个电阻，影响整个讯号放大精确度的变因就更加复杂。
仪表放大电路则无上述的缺点，本文将先简介仪表放大电路.
3.2.1AD620仪表放大器简介
图3.4仪表放大电路是由三个放大器所共同组成，其中的电阻R与Rx需在放大器的电阻适用范围内（1k~10k）。
籍由固定的电阻R，我们可以调整Rx来调整放大的增益值，其关系式如式
（1）所示，唯须注意避免每个放大器的饱和现象（放大器最大输出为其工作电压
）。
（1）
图3.4.仪表放大电路示意图
一般而言，上述仪表放大器都有包装好的成品可以买到，我们只需外接一电阻（即式
（1）中之Rx），依照其特有的关系式去调整至所需的放大倍率即可。
以下即介绍AD620仪表放大器的使用方法。
图3.5所示为AD620仪表放大器的脚位图。
其中1、8接脚要跨接一电阻来调整放大倍率（作用同式
（1）中之Rx），4、7接脚需提供正负相等的工作电压，由2、3接脚输入的放大的电压即可从接脚6输出放大后的电压值。
接脚5则是参考基准，如果接地则接脚6的输出即为与地之间的相对电压。
AD620的放大增益关系式如式
（2）、式（3）所示，藉由此二式我们即可推算出各种增益所要使用的电阻值
了。
图3.5.AD620脚位示意图
（2）
（3）
AD620的基本特点为精确度高、使用简易、低噪声，应用十分广泛，表1为AD620的规格特性总览。
表1.AD620规格特性说明表
项目
规格特性
备注
增益范围
1~1000
只需一个电阻即可设定
电源供应范围
低耗电量
maxsupplycurrent=1.3mA
可用电池驱动，方便应用于可携式器材中
精确度高
40ppmmaximumnonlinearity;
lowoffsetvoltageof50μVmax.;
offsetdriftof0.6μV/℃max.
低噪声
Lowinputvoltagenoiseof9nV/
at1kHz.
应用场合
ECG量测与医疗器材、压力量测、V/I转换、数据撷取系统…等。
3.2.2基本讯号放大电路说明与测试
图3.6为AD620电压放大电路图，其中电阻RG须根据所要放大之倍率由式（3）求得，整个电路相当简单，接下来将介绍一下实际测试的情形。
图3.6AD620放大电路图
由式（3）可以计算出放大2倍所要使用的电阻为49.4k
，于是我们将电路接好如图4，并对干电池做电压放大的动作（输出电压1.32V，如图5所示），最后我们得到放大后的输出结果如图6。
其中因为我们使用的电阻没有控制到准确的49.4k（实际为49.6k），输出结果并不是准确的2倍值2.64V。
3.3陷波电路部分
陷波器的电路如图3.7，该电路是带双B网络的有源滤波器，其传递函数，
其中，
图3.7陷波器的电路原理
与以往双B型陷波器不同的是，该电路引入放大器A2形成正反馈，以减小阻带宽度，使得阻带中心频率附近两边的幅值增大。
品质因数U可以通过变阻器RW来调节。
R和C的值可由中心频率f0确定，
当f0=50HZ时，C,R分别取0.068μf，47kΩ，当f0=100HZ时，C,R分别取0.068μf，24kΩ,变阻器RW为50kΩ。
3.4带通滤波电路部分
带通滤波器电路如图3.8采用的是带反馈的有源滤波器。
该电路前半部分是0.05HZ的高通滤波器，后半部分为100HZ的低通滤波器。
高通滤波器的传递函数：
低通滤波器的传递函数：
图3.8中各电阻电容值的选取，除了能够滤波以外还具有放大作用。
以上全部电路所用的放大器均是T1公司的OPA2137。
图3.8带通滤波器电路
电路中各滤波器的性能与滤波器的参数有直接关系，需经过正确计算。
陷波器双T型网络中的电阻和电容需要精确匹配，以保证双T网络的对称，否则陷波深度会受影响。
变阻器如何调节将会影响波形的好坏，可在实验中调试。
电路测试的结果，从图中可以看到该电路较好地完成了对心电的降噪。
当然，在降噪过程中还可以增加屏蔽技术，以进一步减少外部信号的干扰。
带通滤波器还可以设计成只带一个放大器的滤波器，使电路更为简单，但是精确率可能会降低。
第3章单片机系统--MSP430F135
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位超低功耗的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。
称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。
4.1MSP430单片机的发展
MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在1996年问世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。
回忆MSP430系列单片机的发展过程，可以看出有这样三个阶段：
开始阶段从1996年推出MSP430系列开始到2000年初，这个阶段首先推出有33X、32X、31X等几个系列，而后于2000年初又推出了11X、11X1系列。
MSP430的33X、32X、31X等系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。
每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）、和EPROM型（E）等芯片。
EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。
这也表明了这几个系列的开发模式，即：
用户可以用EPROM型开发样机；
用OTP型进行小批量生产；
而ROM型适应大批量生产的产品。
2000年推出了11X/11X1系列。
这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。
这个时期的MSP430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。
它的许多重要特性，如：
片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等，只有33X系列才具备。
33X系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。
当用户设计需要更多考虑成本时，33X并不一定是最适合的。
而片内高精度A/D转换器又只有32X系列才有。
寻找突破，引入Flash技术随着Flash技术的迅速发展，TI公司也将这一技术引入MSP430系列中。
在2000年7月推出F13X/F14X系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41X、F43X、F44X这些全部是Flash型单片机。
F41X单片机是目前应用比较广的单片机，它有48个I/O口，96段LCD驱动。
F43X、F44X系列是在13X、14X的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动LCD的段数由3XX系列的最多120段增加到160段。
并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址，为以后的发展拓展了空间。
MSP430系列由于具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。
这是TI公司推出具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。
这种以Flash技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。
另外，2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序。
这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。
BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可达到32个字节的长度。
蓬勃发展阶段在前一阶段，引进新技术和内部进行调整之后，为MSP430的功能扩展打下了良好的基础。
于是TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15X和F16X系列的产品。
在这一新的系列中，有了两个方面的发展。
一是从存储器方面来说，将RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。
这样一来，希望将实时操作系统（RTOS）引入MSP430的，就不会因RAM不够而发愁了。
二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块。
在2003年中，TI公司还推出了专门用于电量计量的MSP430FE42X和用于水表、气表、热表上的具有无磁传感模块的MSP430FW42X单片机。
我们相信由于MSP430的开放性的基本架构和新技术的应用，新的MSP430的产品品种必将会不断出现。
4.2MSP430单片机的特点
MSP430F135是TI公司推出的低功耗具有16位精简指令集结构的单片机。
该款芯片由以下部分组成：
（1）基础时钟模块。
（2）看门狗定时器WatchdogTimer，可用作通用定时器。
（3）存储器空间大，16KBROM和512BRAM。
（4）8通道12位200kbps的A/D转换器，自带采样保持与参考电压发生器。
（5）1个串行通信接口USART，有UART和SPI两种工作模式。
（6）带有3个捕捉/比较寄存器的16位定时器Timer_A3。
（7）带有3个捕捉/比较寄存器的16位定时器Timer_B3。
（8）2个具有中断功能的8位并行端口：
P1和P2。
（9）4个8位并行端口：
P3,P4,P5和P6。
提供了普通I/0功能和其他片内外设功能两种模式。
MSP430系列单片机具有以下一些共同特点：
（1）电压、超低功耗
MSP430系列单片机，在1.8~3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流（在0.1~400uA之间）在不同的工作模式而不同；
具有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；
用中断请求将CPU唤醒只要6us,可编制出高实时性的源代码：
可将CPU至于省电模式，以用中断方式唤醒程序。
（2）强大的处理能力
MSP430系列单片机，为16位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以参加多种运算；
还有高效的查表处理方法；
有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下，指令周期为125ns。
（3）系统工作稳定
上电复位，先由DCO振荡器启动CPU，保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的时间起振及稳定时间。
然后可通过软件来设置系统的时钟频率。
如果晶体振荡器在用作CPU时钟时发生故障，DCO会自动启动，保证系统正常运行；
如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。
（4）丰富
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