心電信號(hào)采集與分析系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）心電信號(hào)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)燕 山 大 學(xué)2010年6月本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）心電信號(hào)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)院（系）：里仁學(xué)院電氣工程系 專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)生：XXX學(xué) 號(hào)：2指導(dǎo)教師：XX答辯日期：2010年6月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作

2、 者 簽 名： 日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說明本人完全了解工學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳荨Ｗ髡吆灻?日 期：燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)院：里仁學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：生物醫(yī)學(xué)工程 學(xué)號(hào)2學(xué)生譚瑩瑩專 業(yè)班 級(jí)生物醫(yī)學(xué)工程06-1題目題目名稱心電信號(hào)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目性質(zhì)1.理工類：工程設(shè)計(jì) （ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）

3、；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）2.管理類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術(shù)類（ ）題目類型1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（ ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ）生產(chǎn)實(shí)際（ ）自選題目（ ）主要容(1)學(xué)習(xí)心電信號(hào)處理的基本理論。(2)學(xué)習(xí)MSP430單片機(jī)的的基本原理。(3)學(xué)習(xí)心電監(jiān)護(hù)儀硬件電路設(shè)計(jì)。(4) 設(shè)計(jì)一套心電信號(hào)采集與分析系統(tǒng)目標(biāo)：掌握心電信號(hào)采集與分析系統(tǒng)基本原理與方法，設(shè)計(jì)一套基于MSP430單片機(jī)的心電信號(hào)采集與分析系統(tǒng)。畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書一本，查閱一篇相關(guān)英文參考文獻(xiàn)與譯文。畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書一本，查閱英文參考文獻(xiàn)與譯文。基本要求查閱有關(guān)技術(shù)資料，分析研究當(dāng)前這一領(lǐng)域最新

4、動(dòng)態(tài)。根據(jù)需要，給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。在一定理論推算的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。1遵守畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的紀(jì)律，按時(shí)答疑；2獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)，培養(yǎng)基本的科研能力；3設(shè)計(jì)說明書一份（不少于2萬字），A0圖紙一；英文資料翻譯不少于5千字；說明書要求條理清晰、文筆通順，符合畢業(yè)設(shè)計(jì)撰寫規(guī)的要求；論文、圖紙中的文字符號(hào)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)；4. 完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，并反映在論文中。參考資料1、有關(guān)書籍2、網(wǎng)上查詢相關(guān)資料周次第1 4 周第5 8 周第 9 12 周第1315 周第16 17 周應(yīng)完成的容資料收集, 了解課題容理論分析計(jì)算、總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析、綜合、校正整理資料、撰寫論文，答辯指導(dǎo)教師：昕職稱：教授 年 月 日

5、系級(jí)教學(xué)單位審批： 年 月 日7 / 36摘要心血管疾病是威脅人類健康的主要疾病之一，早期診斷和治療是預(yù)防心臟病的有效途徑。20世紀(jì)50年代末，美國科學(xué)家Holter首先發(fā)明了一種心電儀，人們稱它為Holter心電儀或叫動(dòng)態(tài)心電儀，這種技術(shù)在臨床上可實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)時(shí)間”、“動(dòng)態(tài)”記錄的心電圖，就稱為動(dòng)態(tài)心電圖。能夠記錄病人24小時(shí)活動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)心電數(shù)據(jù)，給醫(yī)生提供具有診斷價(jià)值的資料，對(duì)于心臟功能的評(píng)價(jià)，心臟病的早期診斷非常有益，所以心電監(jiān)護(hù)儀在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。本課題采用MSP430149單片機(jī)作為核心器件，主要完成對(duì)心電信號(hào)的24小時(shí)不間斷采集、傳輸、存儲(chǔ)、顯示等功能。關(guān)鍵詞心電信號(hào)；動(dòng)

6、態(tài)心電圖；MSP430單片機(jī) 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 first such dynamic electrocardiogram instrument, peo

7、ple 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 of dynamic ECG data pro

8、cess 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.Keywords ECG signal；dynamic el

9、ectrocardiogram （DCG）；Holter；msp430；目錄摘要IAbstractII目錄2第1章緒論11.1課題研究意義11.2國外研究現(xiàn)狀與文獻(xiàn)綜述31.3設(shè)計(jì)主要研究容與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)4第2章心電圖的產(chǎn)生和特征62.1 體表心電圖62.2 心電的產(chǎn)生62.3 各波形的意義82.4 常見的心律異常類型與特征92.5 心電圖的導(dǎo)聯(lián)102.6 心電信號(hào)的特征112.7 心電信號(hào)常見干擾122.8 本章小結(jié)13第3章心電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)143.1 心電信號(hào)放大器設(shè)計(jì)要求143.2 電極的選擇163.3 保護(hù)與緩沖電路163.4 前置放大電路173.5 濾波電路203.5.1 低通濾波電

10、路203.5.2 高通濾波電路203.6右腿驅(qū)動(dòng)電路213.7 電平提升電路223.8導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)報(bào)警電路223.9 本章小結(jié)23第4章控制、存儲(chǔ)與接口電路設(shè)計(jì)244.1 中央處理器與其外圍模塊244.1.1芯片的選型244.1.2ADC模塊244.1.3定時(shí)器244.2 USB數(shù)據(jù)傳輸274.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)294.4 時(shí)鐘日歷芯片304.5 液晶顯示314.6 本章小結(jié)32結(jié)論33參考文獻(xiàn)3致4附錄15附錄26第3章 心電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)3.1心電信號(hào)放大器設(shè)計(jì)要求由于人體的心電信號(hào)有微弱、低頻、易受干擾、不穩(wěn)定、隨機(jī)等特點(diǎn)，因此對(duì)動(dòng)態(tài)心電圖的心電放大器的設(shè)計(jì)有很苛刻的要求。1增益由于心電信號(hào)非常

11、微弱，只有0055mV，而心電放大器增益的常規(guī)設(shè)計(jì)要求心電在正常輸入時(shí)，即輸入為1mV時(shí)，輸出電平達(dá)到1V左右(A/D轉(zhuǎn)換器的最大輸入電壓為3.3V)，所以心電放大器的放大倍數(shù)很高，為1000倍左右。2頻率響應(yīng)由于人體心電信號(hào)的頻譜圍為0.05100Hz，能量主要集中在17Hz附近。而按照美國最新標(biāo)準(zhǔn)要求，動(dòng)態(tài)心電圖頻帶應(yīng)不窄于O.6740Hz，所以，要求心電放大器在此頻率圍必須不失真地放大所檢測(cè)的各種心電信號(hào)，為了減少不需要的帶外噪聲，心電信號(hào)用高通和低通濾波器來壓縮通頻帶，經(jīng)過這樣的心電放大器心電信號(hào)才具有可靠的診斷價(jià)值。3高輸入阻抗心電放大器輸入阻抗的設(shè)計(jì)取決于人體的阻抗特性，所使用的電

12、極類型以與與人體的接觸界面。心電放大器通過電極連接到人體身上。由放大器的輸入端向人體方向看去，從電極、導(dǎo)電膏、皮膚(角質(zhì)層、粒層、汗腺)、組織液到心臟外壁形成了信號(hào)源阻抗，這個(gè)源阻抗可看作由一組串并聯(lián)的電阻與電容組成。在低頻的情況下，這個(gè)源阻抗為純電阻。顯然它包括人體電阻(R)、皮膚電阻與電極與皮膚的接觸電阻()那么電阻=R。(R)。人體組織液是一種電解質(zhì)，所以R與組織液離子濃度有關(guān)。不僅與皮膚和電極接觸松緊有關(guān)，還與皮膚的干濕、清潔度與每個(gè)人角質(zhì)層的厚薄有關(guān)。由于心電信號(hào)源阻抗具有高阻抗的特性，而心電信號(hào)是微弱的，若心電放大器的輸入阻抗不高，那么經(jīng)過分壓后，心電放大器輸入端的信號(hào)就非常微弱了

13、。心電信號(hào)損失嚴(yán)重，而且信號(hào)源過負(fù)荷使心電信號(hào)產(chǎn)生畸變。信號(hào)源阻抗不僅因人而異，因生理狀態(tài)而異，而且在測(cè)量時(shí)，與電極的安放位置電極本身的物理狀態(tài)都有密切的關(guān)系。源阻抗的不穩(wěn)定，將使放大器電壓增益不穩(wěn)定從而造成難以修正的測(cè)量誤差。所以只有較高的輸入阻抗，才能確保增益的穩(wěn)定性。設(shè)兩個(gè)電極與皮膚的接觸電阻為、，如果不等于，不可避免的就會(huì)把共模干擾信號(hào)轉(zhuǎn)化為電路無法克服的差模信號(hào)只有增大心電放大器的輸入阻抗，才能減少其影響。此外，由于心電放大器的測(cè)量對(duì)象是人體，易受工頻、射頻等干擾，只有提高輸入阻抗，才能有效地抑制這些干擾。信號(hào)源阻抗一般在數(shù)K至數(shù)十K之間，心電放大器的輸入阻抗應(yīng)該比源阻抗高兩個(gè)數(shù)量級(jí)

14、，故一般取5.1K或10K，才能不失真地引出心電信號(hào)。4高共模抑制比電極與皮膚接觸引起的極化電動(dòng)勢(shì)可作為直流共模干擾輸入到心電放大器，其值可能達(dá)到數(shù)百毫伏的程度，遠(yuǎn)比心電信號(hào)大得多。而且心電信號(hào)的探測(cè)要受到現(xiàn)場(chǎng)很多電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)的干擾，尤其是市電的共模干擾，還有其他共模干擾常把微弱的心電信號(hào)淹沒。共模抑制比(CMRR)是衡量心電放大器對(duì)共模干擾抑制能力的一個(gè)重要指標(biāo)，也是克服溫度漂移的重要因素。為了防止心電信號(hào)的輸出被淹沒在50Hz、電極極化電壓或其他共模干擾電壓之下，一般要求CMMR應(yīng)達(dá)到80dB以上。5低噪聲，低漂移在心電放大器中，由于增益較高，噪聲和漂移是兩個(gè)較重要的參數(shù)。心電放大器運(yùn)行

15、過程中的噪聲主要表現(xiàn)為電子線路的固有熱噪聲和散粒噪聲，這都屬于白噪聲，其幅值成正態(tài)分布。為了獲得一定信噪比的輸出信號(hào)，對(duì)放大器的低噪聲性能有嚴(yán)格的要求。所以在設(shè)計(jì)心電放大器時(shí)應(yīng)盡量選用低噪聲元件，以降低噪聲并進(jìn)一步提高輸入阻抗。另外，溫度變化會(huì)造成零點(diǎn)漂移，心電放大器基線漂電放大器的輸入端引入了直流電壓增益的緣故，電極和電極本身電阻的變化和電極電位的改變都會(huì)增大基線漂了放大器的輸入圍，使得微弱的緩變信號(hào)無法被放大很低的頻率成分，為了能正常的測(cè)量，必須采取措施來限所以放大器應(yīng)選用低漂移、高輸入阻抗并具有高共模抑路?？偟膩碚f，動(dòng)態(tài)心電圖的心電放大器的設(shè)計(jì)有如下要求(1)增益為800lO00左右；(

16、2)頻率響應(yīng)為0.0545Hz：(3)輸入阻抗為5.110M；(4)共模抑制比大于80dB；(5)低噪聲、低漂移。另外，考慮到監(jiān)護(hù)儀的便攜特性，所以在選擇運(yùn)放應(yīng)注意體積的特性，以便更好地降低整機(jī)的功耗和體積。3.2電極的選擇電極對(duì)動(dòng)態(tài)心電信號(hào)的采集的質(zhì)量至關(guān)重要，采用電極應(yīng)粘附力強(qiáng)、透氣性好、吸汗、電極導(dǎo)電性能好的優(yōu)質(zhì)電極，此外還應(yīng)具有對(duì)皮膚刺激性小、佩帶舒適、拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。本課題采用表面鍍有AgCl的可拆卸的一次軟電極，并在電極上涂有優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)電膏。3.3保護(hù)與緩沖電路為了確保病人的與儀器的安全，本課題利用TVS-90放電管作為保護(hù)電路，當(dāng)儀器與人體接觸時(shí)，電壓過大時(shí)，會(huì)將TVS-90導(dǎo)通，

17、直接接地，也防止了后面的器件損壞。電極采集到的心電信號(hào)首先進(jìn)入緩沖級(jí)。緩沖級(jí)可以提高整個(gè)放大電路的輸入阻抗，降低輸出阻抗。這樣就可以在后面的匹配電阻網(wǎng)絡(luò)中得到幅值較高的信號(hào)。圖3.1 保護(hù)與輸入緩沖電路3.4 前置放大電路生理電信號(hào)前置放大器是生理電測(cè)量?jī)x器的重要組成部分，其作用是將微弱信號(hào)高保真放大，以便進(jìn)一步處理、記錄或顯示。一般設(shè)計(jì)中均采用對(duì)地對(duì)稱的雙電極差動(dòng)放大器，被測(cè)的生理電信號(hào)采用差動(dòng)輸入方式，成為差模信號(hào)；而干擾信號(hào)，尤其是落在大多數(shù)生物電信號(hào)頻譜圍之的工頻干擾對(duì)差動(dòng)放大器的輸入端來說，主要是一種大小相等，極性一樣的共模信號(hào)。因此，在生理電信號(hào)記錄過程中，要求前置放大器有較高的抗

18、共模干擾能力。三運(yùn)放儀用放大器是最常使用的生理電前置放大器。它不但可以提供很高的輸入阻抗，而且如果第一級(jí)設(shè)為高增益，無須匹配就可以得到高共模抑制比?？梢杂行У匾种乒ゎl干擾等共模噪聲。然而，在生理電測(cè)量中，由于電極在人體表面的安放部位不同使得電極與皮膚間的電阻抗也不同，導(dǎo)致在放大器的輸入端有幾毫伏以上的直流電壓，加上人體表面各部位還存在一定的電位差，信號(hào)檢測(cè)放大器的輸入端總會(huì)存在比有用信號(hào)大幾十倍的直流信號(hào)，這樣就限制了“三運(yùn)放”第一級(jí)的增益。從而限制了共模抑制比的進(jìn)一步提高。本設(shè)計(jì)采用的生物前置放大器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以在抑制直流干擾的情況下，提供極高的共模抑制比。該電路設(shè)計(jì)突出的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)外圍無

19、源器件的參數(shù)不敏感，即使采用低成本的常用芯片，無須刻意匹配仍然可以達(dá)到良好的性能，尤其適合生理電信號(hào)的高精度測(cè)量。圖3.2 前置放大電路電路設(shè)計(jì)如圖3.2所示。該電路由四部分構(gòu)成：并聯(lián)型雙運(yùn)放儀器放大器，阻容耦合電路，由集成儀用放大器構(gòu)成的后級(jí)放大器和共模信號(hào)取樣驅(qū)動(dòng)電路。并聯(lián)型雙運(yùn)放儀器放大器的優(yōu)點(diǎn)是不需精密的匹配電阻，理論上它的共模抑制比為無窮大，且與其外圍電阻的匹配程度無關(guān)。但并聯(lián)型雙運(yùn)放儀器放大器的輸出為雙端差動(dòng)輸出信號(hào)，如果僅用單端輸出信號(hào)時(shí)將不再具有這一優(yōu)點(diǎn)。所以本電路在后級(jí)使用集成儀用放大器U4，將雙端差動(dòng)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為常用的單端輸出信號(hào)。集成儀用放大器具有較優(yōu)良的性能，但由于其

20、共模抑制比正比于差模增益，而同時(shí)器件存在較高的失調(diào)電壓和通常信號(hào)源中存在較大的直流偏移電壓(如檢測(cè)生理電信號(hào)時(shí)的極化電壓和傳感器中的零點(diǎn)偏移電壓)，在直接應(yīng)用集成儀用放大器作為前置放大器時(shí)并不取得最高的共模抑制比性能。于是本電路在后級(jí)使用集成儀用放大器，并采用阻容耦合電路隔離直流信號(hào)，因而可使得集成儀用放大器取得較高的差模增益，從而得到很高的共模抑制比性能。共模取樣驅(qū)動(dòng)電路由兩個(gè)等值電阻和一只由運(yùn)算放大器U2組成跟隨器構(gòu)成。由圖可見，U2的輸入信號(hào)取自U1和U3輸出端兩個(gè)串聯(lián)電阻的中點(diǎn)電壓，即： 當(dāng)只有差模信號(hào)的輸出=-時(shí)，有=O，則運(yùn)放U2的輸出電壓為0，等同于接地；而當(dāng)兼有共模電壓和差模信

21、號(hào)輸入時(shí)，U2的總輸出只包含輸入信號(hào)的共模部分=。從而使得共模信號(hào)不經(jīng)阻容耦合電路的分壓直接加在集成放大器的輸入端，避免了由于阻容耦合電路的不匹配而降低電路整體的共模抑制比。本電路的差動(dòng)輸出可以由下式計(jì)算：其中是集成儀用放大器U4的差模放大倍數(shù)。該電路的高通截止頻率可以表示為：整個(gè)電路的共模抑制比可以由下式來計(jì)算：其中和分別是放大器第一級(jí)和第二級(jí)的共模抑制比。由集成儀器放大器的共模抑制比決定。在第二級(jí)放大倍數(shù)比較高的情況下，的值可以達(dá)到120dB以上。對(duì)的影響可以忽略。的值則可以由下式得到：其中：、和、3是運(yùn)放U1、U3的開環(huán)差動(dòng)增益和共模增益。上式顯示為了得到較高的共模抑制比，第一級(jí)的兩個(gè)運(yùn)

22、放無論是開環(huán)增益還是CMRR都應(yīng)盡可能地匹配。在實(shí)際應(yīng)用中，以廉價(jià)常用的精準(zhǔn)儀用放大芯片OP07C為例，其的標(biāo)準(zhǔn)值為400，000倍，CMRR的標(biāo)準(zhǔn)值為120dB，以標(biāo)準(zhǔn)值來計(jì)算，。如果所選用高精度、匹配較好的運(yùn)放，和的值還可以大幅度提高。3.5 濾波電路3.5.1低通濾波電路由于電磁干擾越來越嚴(yán)重，所以心電信號(hào)在采集過程中不僅有50Hz的工頻干擾和低頻、直流分量的干擾，還有高于100Hz高頻諧波的嚴(yán)重干擾，有必要進(jìn)行低通濾波電路的設(shè)計(jì)。圖3.3 低通濾波電路3.5.2高通濾波電路由于心電信號(hào)微弱，需要多級(jí)放大，而多級(jí)直接耦合的直流放大器雖能滿足要求，但多級(jí)直接耦合的直流放大器容易引起基線飄移

23、。此外，由于極化電壓存在的緣故，動(dòng)態(tài)心電圖機(jī)的直流放大器更不能采用多級(jí)直接耦合。本裝置中，在兩級(jí)放大器之間采用RC耦合電路，即時(shí)間常數(shù)電路，在隔離直流信號(hào)的同時(shí)達(dá)到高通濾波的效果。我們?nèi)r(shí)間常數(shù)約為3.2s，這樣可確定電阻、電容值，在兩級(jí)之間組成高通濾波器。可得轉(zhuǎn)折頻率為：圖3.4 高通濾波電路3.6 右腿驅(qū)動(dòng)電路人體接地是造成觸電事故的一個(gè)重要原因，因此取消人體接地是最根安全用電措施。人體接地本來就是在沒有高質(zhì)量的放大器情況下采取少共模信號(hào)的應(yīng)急措施。測(cè)量心電圖時(shí)，如果病人右腳不接地，由于雜散分布電容的影響，病人身上將會(huì)產(chǎn)生很高的共模電壓。因此，最理想的方法是設(shè)計(jì)出一種既能減少共模干擾又能取

24、消人體接地的電路。右腿驅(qū)動(dòng)的工作原理是將由人體體表獲得的共模電壓通過負(fù)反饋放大的方式輸回人體，從而達(dá)到抵消共模干擾的作用，從根本上抑制共模電壓。圖3.5 右腿驅(qū)動(dòng)電路3.7電平提升電路經(jīng)過模擬電路放大濾波后的心電信號(hào)是交流信號(hào)，而MSP430系列單片機(jī)的轉(zhuǎn)換圍是正電壓信號(hào)，所以有必要將模擬信號(hào)抬升至0V以上，根據(jù)對(duì)MSP430單片機(jī)的參考電壓設(shè)置為2.5V的情況，在后級(jí)設(shè)置一定的可調(diào)放大倍數(shù)，并使用微型電位器，以便根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。圖3.6 電平提升電路3.8 導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)報(bào)警電路患者在使用心電監(jiān)護(hù)儀時(shí)有可能發(fā)生導(dǎo)聯(lián)松動(dòng)和脫落，這將引入很大的干擾，導(dǎo)致心電波形畸變，使得心電監(jiān)護(hù)終端難以輸出

25、實(shí)際波形，從而導(dǎo)致對(duì)心電信號(hào)的錯(cuò)誤判斷，影響診斷結(jié)果。正常情況下，正負(fù)電極對(duì)人體皮膚形成的極化電壓可以相互抵消，當(dāng)一側(cè)電極脫落時(shí)，將有較大的極化電壓輸入，經(jīng)過前置放大后的電壓將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常連接時(shí)的電壓圍。因而可通過一個(gè)窗口比較器，當(dāng)電壓超出窗口圍時(shí)，認(rèn)為發(fā)生電極脫落，比較器輸出電平由正常時(shí)的高電平變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。電路如圖3.7所示，當(dāng)導(dǎo)聯(lián)脫落時(shí)，紅色指示燈會(huì)亮起提示脫落。圖3.7導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)報(bào)警電路3.9本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了心電信號(hào)的采集與處理過程，根據(jù)前一章所述的心電信號(hào)的特點(diǎn)和噪聲干擾，提出前置放大器的設(shè)計(jì)要求，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)各個(gè)模塊電路的功能做了詳盡的闡述。第4章

26、控制、存儲(chǔ)與接口電路設(shè)計(jì)4.1 中央處理器與其外圍模塊4.4.1芯片的選型本系統(tǒng)的核心器件無疑是負(fù)責(zé)調(diào)配各外圍部件有序工作的微處理器。在電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，市場(chǎng)上可供選擇的處理器有很多種，最常見的有單片機(jī)、DSP、PLC、ARM等。處理器的選擇不僅要看其處理能力，還要考慮其他一些因素，比如價(jià)格、功耗等。經(jīng)過對(duì)幾種嵌入式平臺(tái)的比較，本系統(tǒng)病人心電監(jiān)護(hù)終端硬件核心處理器采用美國德儀器公司生產(chǎn)的低功耗16位單片機(jī)MSP430F149。MSP430具有如下特點(diǎn)：首先，它的突出優(yōu)勢(shì)是功耗小。MSP430單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷号c靈活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。它

27、在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在200400uA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1uA。MSP430可通過兩個(gè)不同的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和FLL+)時(shí)鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能所需的時(shí)鐘，并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式(AM)和五種低功耗模式(LPMO、LPM4)。在等待方式下，耗電為0.7uA，在節(jié)電方式下，最低可達(dá)0.1uA。第二，除了低功耗之外，MSP430還具有強(qiáng)大的處理能力，其芯片具有一個(gè)16位精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)指令CPU，10個(gè)16位的寄存器以與常數(shù)發(fā)生器，能夠最大限度的提

28、高代碼的效率。數(shù)字控制的振蕩器(DCO)將CPU從低功耗模式喚醒的時(shí)間僅為6微秒。MSP430F449采用RISC精簡(jiǎn)指令集，125ns指令周期，大部分的指令在一個(gè)指令周期完成，且其片含有硬件乘法器，大大節(jié)省了運(yùn)算的時(shí)間。第三，MSP430具有豐富的片外圍電路，它置12位高性能A/D轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)帶有捕獲計(jì)時(shí)寄存器的16位定時(shí)器、60KB的FLASH ROM、2KB的RAM、48個(gè)可復(fù)用I/O引腳和兩個(gè)通用同步/異步串行通訊接口等。MSP430系列單片機(jī)的這些片外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。除此之外，MSP430F149開發(fā)平臺(tái)提供了方便高效的開發(fā)環(huán)境。由于它屬于FLASH型器件，相

29、對(duì)于OPT型和ROM型的器件，它有JTAG調(diào)試接口，還有可擦寫的FLASH存儲(chǔ)器，可先下載程序到FLASH，再在器件通過軟件控制程序的運(yùn)行。采用這種方式只需要一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。MSP430系列單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示：圖4.1 MSP430系列單片機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖MSP430系列由以下部分組成：基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊，包括1個(gè)數(shù)控振蕩器(DCO)和2個(gè)晶體振蕩器?？撮T狗定時(shí)器Watchdog Timer，可用作通用定時(shí)器。帶有2個(gè)捕捉比較寄存器的16位定時(shí)器Timer_A3。帶有7個(gè)捕捉比較寄存器的16位定時(shí)器Timer_B7。2個(gè)具有中斷功能的8位并行端

30、口：P1與P2。4個(gè)8位并行端口：P3、P4、P5與P6。模擬比較器Comparator_A。12位A，D轉(zhuǎn)換器ADCl2。2個(gè)串行通信接口：USART0與USART1。1個(gè)硬件乘法器。4.4.2 ADC采樣模塊根據(jù)系統(tǒng)要求，在考慮所要采集信號(hào)圍、采樣頻率、精度要求、轉(zhuǎn)換速率、環(huán)境條件、計(jì)算機(jī)接口特征與成本的前提下，本系統(tǒng)中采用MSP430F149部集成的ADC 12模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。ADCl2核是一個(gè)帶有采樣與保持功能的12位轉(zhuǎn)換器；部參考電壓發(fā)生器，同時(shí)有兩種參考電壓值可供選擇；采樣與轉(zhuǎn)換過程中所需要的時(shí)鐘信號(hào)源可以選擇；采樣與轉(zhuǎn)換所需的時(shí)序控制電路；轉(zhuǎn)換結(jié)果有專門的桶型緩存；采樣速度快，

31、最高可達(dá)200kbps；12位轉(zhuǎn)換精度，l位非線性微分誤差，1位非線性積分誤差；置采樣與保持電路；有多種時(shí)鐘源可提供給ADCl2模塊，而且模塊本身置時(shí)鐘發(fā)生器；置溫度傳感器；配置有8路外部通道與4路部通道；置參考電源，而且參考電壓有6種可編程的組合；模數(shù)轉(zhuǎn)換有4種模式?？伸`活地運(yùn)用以節(jié)省軟件量與時(shí)間；ADCl2核可關(guān)斷以節(jié)省系統(tǒng)消耗例。ADCl2可以對(duì)8個(gè)外部模擬信號(hào)之一或4個(gè)部電壓之一作轉(zhuǎn)換，由ADC核把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位數(shù)據(jù)并存入轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)寄存器。ADCl2核使用兩個(gè)可編程的參考電壓(和)作為轉(zhuǎn)換圍的上下限。輸入通道和參考電平由轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)控制寄存器定義。ADCl2工作時(shí)可以用部參考電平，或者

32、外部參考電平，也可以是兩者的結(jié)合，ADCl2有部的兩種參考電平，可以選擇1.5V或2.5V。為避免電源電壓波動(dòng)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換造成干擾，我們采用了部參考電壓1.5V，提高精度。對(duì)于ADCl2的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，用戶有各種選擇來形成采樣的時(shí)序。ADCl2可以選擇所有有效的MSP430片時(shí)鐘，也可以選擇一個(gè)外圍模塊所含的時(shí)鐘，此處選擇的時(shí)鐘為低頻時(shí)鐘，可以節(jié)省功耗。對(duì)于選擇的時(shí)鐘源可以引入一個(gè)18的分頻因子。4.4.3 定時(shí)器定時(shí)器在單片機(jī)系統(tǒng)中是非常重要的部分，它在事件控制與管理方面有著重要的應(yīng)用。MSP430F149主要有看門狗（WDT）、基本定時(shí)器（Basic Timer1）、定時(shí)器A(Timer_A)

33、和定時(shí)器B(Timer_B)等模塊。在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，我們使用Timer_A作為了心電信號(hào)AD轉(zhuǎn)換的定時(shí)器，將定時(shí)周期設(shè)定為500Hz，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心電信號(hào)的500Hz采樣率。定時(shí)器A是一個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。它有3個(gè)捕獲/比較寄存器。定時(shí)器A能支持多個(gè)時(shí)序控制、多個(gè)捕獲/比較功能和多個(gè)PWM輸出。定時(shí)器A有廣泛的中斷功能，中斷可以由計(jì)數(shù)器溢出產(chǎn)生，也可以由捕獲/比較寄存器產(chǎn)生。定時(shí)器A有以下的特點(diǎn)：16位的計(jì)數(shù)/定時(shí)器，共有4種模式?？梢赃x擇設(shè)置時(shí)鐘源。多個(gè)捕獲/比較寄存器。異步的輸入/輸出鎖存。具有中斷向量寄存器，能快速譯碼定時(shí)器A產(chǎn)生的中斷。用戶對(duì)定時(shí)器A的所有操作都是通過操作該模塊的寄

34、存器完成的。定時(shí)器A的寄存器主要有TACTL、TAR、TAIV、CCTLn和CCRn。4.2 USB數(shù)據(jù)傳輸要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大量存儲(chǔ)，需要將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。USB接口是近年來迅速發(fā)展的接口標(biāo)準(zhǔn)，目前幾乎所有的新型計(jì)算機(jī)的外設(shè)上都使用USB接口，它有數(shù)據(jù)傳輸速度快、連接簡(jiǎn)單、兼容性好等特點(diǎn)?？紤]NUSB接口的先進(jìn)性以與目前使用的廣泛性，本系統(tǒng)使用USB接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信就完全可以滿足系統(tǒng)的要求?？紤]到單片機(jī)芯片具有RS232接口，此處我們通過一種RS232轉(zhuǎn)USB的芯片CP2101來實(shí)現(xiàn)傳輸功能。CP2101是一種單芯片USB轉(zhuǎn)UART的橋接器解決方案。該芯片包含一個(gè)USB20全速功能控制器EEPR

35、OM，緩沖器和帶有調(diào)制解調(diào)器接口信號(hào)的異步串行數(shù)據(jù)總線。CP2101的UART接口包括TX(發(fā)送)和RX(接收)數(shù)據(jù)信號(hào)以與RTS，CTS，DSR，DTR，DCD和RI控制信號(hào)。CP2101具有很多的優(yōu)點(diǎn)：(1)高度集成。片集成512字節(jié)EEOROM(用于存儲(chǔ)廠家ID等數(shù)據(jù))，片集成收發(fā)器、無需外部電阻；片集成時(shí)鐘，無需外部晶體。(2)低成本，可實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口的解決方案。CP2101的USB功能無需外部元件，而大多數(shù)競(jìng)爭(zhēng)者的USB器件則需要額外的終端晶體管、上拉電阻、晶振和EEPROM。具有競(jìng)爭(zhēng)力的器件價(jià)格，簡(jiǎn)化的外圍電路，無成本驅(qū)動(dòng)支持使得CP2101在成本上的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)超過競(jìng)爭(zhēng)者的解決方案。

36、(3)具有低功耗、高速度的特性，符合USB20規(guī)，適合于所有的UART接口(波特率為300bps921.6kbps)。工業(yè)級(jí)溫度圍為-4085。(4)具有較小的封裝。CP2101為28腳5mmx5mmMLP封裝。這在PCB上的尺寸就比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手小30左右。MSP430F149有兩個(gè)串行口，此處使用串行口1與CP2101連接，CP2101有個(gè)集成的部振蕩器和USB收發(fā)器，所以無需其它外部USB電路組件。連線圖如圖4.2所示：圖4.2 CP2101電路圖4.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)24小時(shí)采集的心電信號(hào)數(shù)據(jù)量計(jì)算如下：采樣率500點(diǎn)/s，每個(gè)點(diǎn)用8位表示則數(shù)據(jù)量為。這樣大的數(shù)據(jù)量可以采用Flash或者移動(dòng)存儲(chǔ)卡的

37、形式存儲(chǔ)?？紤]到SD卡能用讀卡器直接讀入PC機(jī)，所以將SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備。SD卡(Secure Digital Memory Card)是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，由松下、東芝和SanDisk公司共同開發(fā)研制，體積小，但擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性和很好的安全性。SD卡集合了SanDisk快閃記憶控制和MLC(Multilevel Cell)技術(shù)和東芝NAND技術(shù)，通過9針的接口與專門的驅(qū)動(dòng)器相連接，不需額外的電源來保持其上的記憶信息。傳輸速率高達(dá)20MB/S，并且具有物理寫保護(hù)開關(guān)，保證數(shù)據(jù)的安全性。SD存儲(chǔ)卡定義了兩種可選擇的通信協(xié)議：SD模式和SPI模

38、式。主機(jī)能自動(dòng)選擇其中任意種模式。當(dāng)接收到主機(jī)的復(fù)位指令后，卡能檢測(cè)到主機(jī)要求的模式，并在這種通信模式下進(jìn)行下一步的通信。SD通信協(xié)議又分為1位總線模式和4位總線模式。最新的SDIO卡規(guī)規(guī)定高速I/O卡必須支持SD存儲(chǔ)卡的所有通信模式。SPI接口協(xié)議首先是由Motorola公司提出來的，現(xiàn)在廣泛存在于各類微型控制器中。SPI總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，允許MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)交換。SPI系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，SPI系統(tǒng)一般使用4條線：串行時(shí)鐘線CLK、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)片

39、選線CS。模塊電路圖如圖4.3所示。CLK、MISO、MOSI和CS四線構(gòu)成SPI通訊接口，分別與單片機(jī)MSP430F149的P3.0-P3.3口相連，因?yàn)檫@四個(gè)端口有第二復(fù)用功能，即SPI接口。另外CD(Card Detect)和WP(Write Protect)都是SD卡槽自帶的硬件功能(部分卡槽不帶此功能)，將它們分別與單片機(jī)的P1.0和P1.1口相連，用于檢測(cè)當(dāng)前SD卡是否插入，以與寫保護(hù)是否打開，然后將這些狀態(tài)通過液晶界面顯示出來，供用戶選擇。本設(shè)計(jì)具體采用金士頓1GB的SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備，它在容量和功耗上完全滿足設(shè)計(jì)需求。圖4.3 SD卡連接電路圖4.4時(shí)鐘日歷芯片時(shí)間是心電信號(hào)分

40、析中一個(gè)很重要的參考項(xiàng),所以時(shí)間對(duì)本系統(tǒng)來說是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)。為了給醫(yī)生診斷提供詳細(xì)的心電數(shù)據(jù)和資料，我們必須記錄下各段心電信基于MSP430超低功耗MCU的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀與其系統(tǒng)的研究；因此我們?cè)谙到y(tǒng)中加入了實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片X1208，它是一個(gè)SOP封裝的8腳的芯片,X體積僅為5mmX4.9mm。X1208是Xicor公司生產(chǎn)的低功耗CMOS型實(shí)時(shí)時(shí)鐘集成電路。雙端口時(shí)鐘和報(bào)警寄存器可使時(shí)鐘即使在讀寫操作期間也能精確地工作。它通過I2C總線方式可與各種單片機(jī)接口，具有日歷、時(shí)鐘、計(jì)時(shí)，可編程定時(shí)中斷等功能，并提供閏年校正。它有兩個(gè)獨(dú)立的鬧鐘，報(bào)警可按秒、分、時(shí)、日、月與星期設(shè)置。報(bào)警輸出可

41、作中斷請(qǐng)求信號(hào)。工作電源與備份電池電源都有寬的電壓圍。X1208是標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線接口，具有操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。4.5液晶顯示液晶是介于液體和晶態(tài)固體之間的一種各向異性凝聚流體，它既像液體那樣具有流動(dòng)性，又像晶體那樣具有光學(xué)上的各向異性。從微觀結(jié)構(gòu)看，液晶材料的分子形狀都是各向異性的，并且具有固有電矩，所以有極性。當(dāng)受到外電場(chǎng)的作用時(shí)，液晶會(huì)發(fā)生湍流。撤除電場(chǎng)后，分子長(zhǎng)軸又重新平行排列起來，沿該方向又恢復(fù)透明。我們正是利用液晶的這種效應(yīng)顯示圖像和字碼的。液晶顯示屏(LCD)是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。顯示屏由兩塊玻璃板構(gòu)成，其間由包含有液晶材料的均勻間隔隔開。液晶材料本身并不發(fā)光，所以在顯示屏兩邊

42、都設(shè)有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板和反光膜。背光板是由熒光物質(zhì)組成的可以反射光線。它的作用主要是提供均勻的背景光源。當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，液晶分子就會(huì)產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。液晶顯示屏一般分為段式和點(diǎn)陣式。點(diǎn)陣式中的點(diǎn)相當(dāng)于段式中的段，由于點(diǎn)很多，可以顯示更為復(fù)雜的容。在本監(jiān)護(hù)終端設(shè)計(jì)中，我們采用了RTl2864CT點(diǎn)陣式液晶顯示器顯示菜單和心電波形。 RTl2864CT點(diǎn)陣式液晶顯示器(LCD)是一個(gè)128×64點(diǎn)陣顯示模塊，它的外形尺寸為540ram×500mm×75m

43、m，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。它是STN黃綠模式，EL背光，可以完成圖形顯示也可以顯示漢字。液晶顯示器具有8位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線，6位控制線以與電源線，背光亮度可以通過電位器來調(diào)節(jié)。液晶顯示器LCD與單片機(jī)的連接電路如圖4.4所示。液晶顯示控制模塊中使用RS，R/W，E，CS1，CS2作為與MSP430數(shù)據(jù)總線接口的控制信號(hào)。RS是數(shù)據(jù)指令控制信號(hào)，它控制存取的方式，可實(shí)現(xiàn)讀寫指令或接受數(shù)據(jù)。R/W是讀寫控制信號(hào)，高電平時(shí)液晶顯示器工作在讀模式，低電平時(shí)工作在寫模式。CS1、CS2是片選信號(hào)，高電平有效，控制液晶的左右半屏顯示，當(dāng)CS1為高電平時(shí)，液晶左半屏顯示；當(dāng)CS2為高電平時(shí)，液晶右半屏顯示。系統(tǒng)中所使用的RTl2864CT液晶顯示器置有DC/DC轉(zhuǎn)換模塊，所以不用另外發(fā)生調(diào)節(jié)液晶對(duì)比度所需的負(fù)壓，直接從電源分壓即可得到驅(qū)動(dòng)LCD所需的電壓值。圖4.4 LCD顯示接口單元4.6 本章小結(jié)本章設(shè)計(jì)制作單片機(jī)外圍電路，包括USB接口電路、存儲(chǔ)電路、液晶顯示電路等，構(gòu)成心電存儲(chǔ)與顯示部分。此設(shè)計(jì)以MSP430系列單片機(jī)MSP430F149微處理器為核心器件，自帶AD轉(zhuǎn)換器，完成了數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換功能；