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MSP430动态心电图采集系统解析
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2017-10-27
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动态心电图是指连续记录24小时或更长时间的心电图，它已经成为临床上广泛应用的无创性心血管病诊断手段之一。尤其是常规心电图检查正常，但有心脏病症状或心率变化与症状不相符时，可以作为首选的无创检查方法。此方法为美国人Holter发明，所以又称为Holter。由于资金、技术等因素，Holter系统在我国并未得到普及，因此研制一种能够记录24小时全程心电图的低功耗、便携式心电图记录系统十分必要。
目前该类产品存在的主要问题在功耗和容量等方面［1］。市场上的动态心电记录系统普遍采用51系列或DSP，其功耗很大，不能满足24小时连续记录的要求。MSP430具有优势，它自带12位AD转换和液晶显示，在图1中虚线框中的模块都是MSP430自带的，其集成化程度高，更有利于实现低功耗和便携式。因此采用MSP430和SD卡的动态心电采集系统十分合适［2］。
1 系统的硬件结构和工作原理
1.1 MSP430 芯片介绍
美国德州仪器公司推出的MSP430系列超低功耗16位混合信号处理器，以16位RISC处理器、超低功耗、丰富的片内外设、JTAG仿真调试定义了新一代单片机的概念。本系统采用的MSP430FG4618是一款优秀的片上系统，它自带12位AD转换、3个可编程运放、12位DA同步转换器、160段LED驱动以及UART、SPI、I2C等丰富的外设接口，给系统设计提供了很大的方便。
1.2 系统整体流程介绍
系统整体框图如图1所示。系统硬件主要由三部分组成：模拟放大部分、MSP430主处理部分和SD卡存储部分。系统的工作流程为：由导联电极采集人体表面微弱的心电信号，经由仪表运放INA321初步放大，再通过50Hz陷波器滤除工频干扰；主运放采取MSP430内部的可编程运放，放大100倍，满足AD转换的电压要求；AD转换结果经过数字滤波消除一些高频干扰后，一方面直接将数据存入SD卡，另一方面通过设定阈值判断QRS波群的到来，由两次波群的采样间隔计算出心率，经由LCD显示。
系统中AD转换采用MSP430自带的12位AD，采样点数设定为500点/s，这样的采样速率有利于工频干扰的数字滤波；MSP430FG4618自带160段液晶驱动，最多可以带20位的数码显示；根据实际需要选用4位的数码显示；存储系统采用1GB的金士顿SD卡，完全满足数据量和存储速度的需要。
1.3 模拟部分电路
仪表运放采用TI公司的INA321，其默认放大倍数为5倍。因为人体皮肤接触电阻大、共模电压高等因素，前级运放放大倍数不能太大，否则容易引起饱和，因此设定其放大倍数为5。模拟部分电路如图2所示。其中点1接参考电压1.5V，能保证输出点3的参考电压也为1.5V。U2和INA321组成一个积分电路，可以消除由于采集过程中皮肤接触阻抗变换引起的基线漂移［2］。U3和R7、C4等电容网络组成了低通和陷波电路，其增益为500倍，能将微弱的信号放大到AD转换需要的1V电压。
模拟部分整体电路在Multisim10仿真图形波形中，可以看出此电路的性能完全符合后级AD转换要求。
目前该类产品存在的主要问题在功耗和容量等方面［1］。市场上的动态心电记录系统普遍采用51系列或DSP，其功耗很大，不能满足24小时连续记录的要求。MSP430具有优势，它自带12位AD转换和液晶显示，在图1中虚线框中的模块都是MSP430自带的，其集成化程度高，更有利于实现低功耗和便携式。因此采用MSP430和SD卡的动态心电采集系统十分合适［2］。
1 系统的硬件结构和工作原理
1.1 MSP430 芯片介绍
美国德州仪器公司推出的MSP430系列超低功耗16位混合信号处理器，以16位RISC处理器、超低功耗、丰富的片内外设、JTAG仿真调试定义了新一代单片机的概念。本系统采用的MSP430FG4618是一款优秀的片上系统，它自带12位AD转换、3个可编程运放、12位DA同步转换器、160段LED驱动以及UART、SPI、I2C等丰富的外设接口，给系统设计提供了很大的方便。
1.2 系统整体流程介绍
系统整体框图如图1所示。系统硬件主要由三部分组成：模拟放大部分、MSP430主处理部分和SD卡存储部分。系统的工作流程为：由导联电极采集人体表面微弱的心电信号，经由仪表运放INA321初步放大，再通过50Hz陷波器滤除工频干扰；主运放采取MSP430内部的可编程运放，放大100倍，满足AD转换的电压要求；AD转换结果经过数字滤波消除一些高频干扰后，一方面直接将数据存入SD卡，另一方面通过设定阈值判断QRS波群的到来，由两次波群的采样间隔计算出心率，经由LCD显示。
系统中AD转换采用MSP430自带的12位AD，采样点数设定为500点/s，这样的采样速率有利于工频干扰的数字滤波；MSP430FG4618自带160段液晶驱动，最多可以带20位的数码显示；根据实际需要选用4位的数码显示；存储系统采用1GB的金士顿SD卡，完全满足数据量和存储速度的需要。
1.3 模拟部分电路
仪表运放采用TI公司的INA321，其默认放大倍数为5倍。因为人体皮肤接触电阻大、共模电压高等因素，前级运放放大倍数不能太大，否则容易引起饱和，因此设定其放大倍数为5。模拟部分电路如图2所示。其中点1接参考电压1.5V，能保证输出点3的参考电压也为1.5V。U2和INA321组成一个积分电路，可以消除由于采集过程中皮肤接触阻抗变换引起的基线漂移［2］。U3和R7、C4等电容网络组成了低通和陷波电路，其增益为500倍，能将微弱的信号放大到AD转换需要的1V电压。
模拟部分整体电路在Multisim10仿真图形波形中，可以看出此电路的性能完全符合后级AD转换要求。
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