季雪淵，王衛(wèi)東，張政波，王國靜，彭福來

基于MSP430微控制器的心電信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

季雪淵，王衛(wèi)東，張政波，王國靜，彭福來

目的：設(shè)計(jì)一個(gè)具有高性能、低功耗特性的心電信號采集系統(tǒng)，以滿足長時(shí)間監(jiān)測患者生理狀況的需求。方法：采用ADAS1000低功耗心電圖模擬前端與MSP430F5529微控制器，利用串行外設(shè)接口總線實(shí)現(xiàn)模擬前端的配置以及心電數(shù)據(jù)的回讀。結(jié)果：該系統(tǒng)可對正常活動(dòng)狀態(tài)下的患者做24 h動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測，采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。結(jié)論：該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了印制電路板的一體化集成，功耗低，可用于由電池供電的便攜式應(yīng)用（如穿戴式設(shè)備）中。

MSP430；ADAS1000；心電；低功耗

0　引言

心電圖（electrocardiogram，ECG）是利用心電圖機(jī)從體表記錄心臟每一心動(dòng)周期所產(chǎn)生的電活動(dòng)變化圖形的技術(shù)。心電圖是臨床最常用的檢查之一，它能夠幫助診斷多種心血管疾病。隨著人們物質(zhì)生活水平的迅速提高，心血管疾病已成為危害人類健康及生活質(zhì)量的主要疾病之一，并已成為我國城鄉(xiāng)居民病死的第二大原因[1]。傳統(tǒng)的患者與醫(yī)生之間面對面的診斷模式已經(jīng)不能滿足人們對健康保健日益增長的巨大需求。因此，家庭健康監(jiān)護(hù)已成為一個(gè)重要的課題。

動(dòng)態(tài)心電圖于1957年由美國人Holter所創(chuàng)，1978年我國引進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)可連續(xù)記錄24 h心電活動(dòng)全過程，能夠發(fā)現(xiàn)常規(guī)ECG不易發(fā)現(xiàn)的心律失常和心肌缺血等癥狀。但目前的Holter記錄儀體積通常比較大，需要背在身上，且操作復(fù)雜，并不適用于普通人群在家庭對身體健康狀況的監(jiān)護(hù)要求[2]。目前，市面上常見的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀有種種不足，如記錄的心電信息有限，心電信號質(zhì)量不佳，因此降低了醫(yī)生對疾病的診斷率；費(fèi)用昂貴，普通家庭患者難以承受；實(shí)時(shí)性、體積、功耗、質(zhì)量都不盡人意，造成患者使用不便等。我們研究的可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)長期、持續(xù)的監(jiān)測，并可嵌入背心等衣服中，具有體積小、使用方便、功耗極低等特點(diǎn)。該生理參數(shù)檢測技術(shù)具有不可估量的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于軍事作業(yè)醫(yī)學(xué)、睡眠醫(yī)學(xué)、生理/心理學(xué)、臨床監(jiān)護(hù)等多個(gè)研究領(lǐng)域。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)心電信號采集系統(tǒng)由ADAS1000模擬前端、MSP430微控制器、無線通信模塊、SD卡存儲模塊、鋰離子電池及電源管理電路、串口通信電路等構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　心電信號采集裝置系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)工作時(shí)，可利用無線通信藍(lán)牙模塊通過通用異步收發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver transmitter，UART）上傳至個(gè)人計(jì)算機(jī)（personal computer，PC）上位機(jī)，利用MATLAB查看分析數(shù)據(jù)，亦可用SD卡記錄數(shù)據(jù)，之后再用PC讀取數(shù)據(jù)，分析處理。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1低功耗模擬前端

傳統(tǒng)的心電信號放大電路是通過分立元件搭建而成的，不僅需要占據(jù)很大的電路板空間，功耗亦不容忽視。本系統(tǒng)采用的ADAS1000集成模擬前端不僅具有低功耗和小尺寸特性，同時(shí)亦是一款高性能器件，因此適用于高端診斷設(shè)備。它能夠測量心電圖信號、胸阻抗、起搏偽像、導(dǎo)聯(lián)連接/脫落狀態(tài)，并將此信息以數(shù)據(jù)幀的形式輸出，以可編程數(shù)據(jù)速率提供導(dǎo)聯(lián)/矢量或電極數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)分立式與集成式解決方案的對比見表1。

表1　傳統(tǒng)分立式與集成式解決方案對比

ADAS1000是一款高度集成的芯片，由5路ECG輸入和1個(gè)專用右腿驅(qū)動(dòng)輸出參考的電極組成，專為監(jiān)控與診斷級ECG測量而設(shè)計(jì)。ADAS1000針對低功耗設(shè)計(jì)，僅需21 mW便可進(jìn)行5個(gè)ECG電極的測量。它的標(biāo)準(zhǔn)串行接口可輸出所有ECG相關(guān)信息，包括導(dǎo)聯(lián)脫落狀態(tài)、起搏、呼吸和其他輔助功能。它可提供不同的數(shù)據(jù)幀速率（2、16或128 kHz），以確保最終簡化數(shù)據(jù)采集任務(wù)。最低的數(shù)據(jù)速率（2 kHz）可實(shí)現(xiàn)更多抽取功能，并且針對低噪聲性能優(yōu)化了幀數(shù)據(jù)速率；還可在跳躍模式下讀取數(shù)據(jù)，該模式每次都在第二或第三個(gè)字時(shí)從設(shè)備讀取包或幀，數(shù)據(jù)速率最低為500 Hz[3-5]。

2.2MSP430微控制器

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用MSP430F5529微控制器作為主控制器。MSP430系列單片機(jī)是采用了精簡指令集計(jì)算機(jī)（reduced instruction set computer，RISC）結(jié)構(gòu)的16 bit單片機(jī)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址，4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。

MSP430單片機(jī)之所以具有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷汉挽`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有獨(dú)到之處。首先，MSP430系列的電源電壓采用的是1.8～3.6 V電壓。因而可使其在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片電流最低在165 μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1 μA。其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在MSP430系列中有3個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)模塊：輔助時(shí)鐘（auxiliary clock，ACLK）、主時(shí)鐘（master clock，MCLK）以及子系統(tǒng)時(shí)鐘（subsystem master clock，SMCLK）。這3個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)由5個(gè)時(shí)鐘信號源提供，可以只使用1個(gè)32.768kHz的晶體振蕩器，也可以同時(shí)使用4～32 MHz的高頻晶振或內(nèi)部的3個(gè)低功耗振蕩器。由時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生中央處理器（central processing unit，CPU）和各功能模塊所需時(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)對總體功耗的控制[6-10]。

2.3串行接口電路

ADAS1000通過標(biāo)準(zhǔn)串行接口進(jìn)行控制，運(yùn)行配置寄存器和回讀ECG數(shù)據(jù)（如圖2所示）。這是一個(gè)串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）的兼容性接口，由5個(gè)引腳控制：片選（chip select，CS）幀同步輸入，串行數(shù)據(jù)輸入引腳（serialdatainput，SDI），串行時(shí)鐘（serialclock，SCLK）將數(shù)據(jù)輸入和輸出器件，串行數(shù)據(jù)輸出（serial data output，SDO）用于數(shù)據(jù)回讀，數(shù)據(jù)就緒（data ready，DRDY）可選。

系統(tǒng)通過UART負(fù)責(zé)PC與MSP430單片機(jī)之間的通信。由于單片機(jī)與PC進(jìn)行通信的接口電平不同，因此需要進(jìn)行接口電平轉(zhuǎn)換。串口通信電路的設(shè)計(jì)采用MAX3232實(shí)現(xiàn)單片機(jī)電平與PC的RS232電平轉(zhuǎn)換[11]。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件配置流程

整個(gè)心電信號采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由以MSP430單片機(jī)為核心的模擬前端控制程序和單片機(jī)與PC之間的串口通信程序2個(gè)部分組成。ADAS1000的配置流程如圖3所示。

PC端控制程序采用IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境，IAR SYSTEMS開發(fā)工具可用于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和測試的每一個(gè)階段，包括：帶有C/ C++編譯器和調(diào)試器的集成開發(fā)環(huán)境（integrated development environment，IDE）、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和中間件、開發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機(jī)建模工具。

圖3　配置流程圖

3.2SPI傳輸程序

ADAS1000的寄存器配置都是通過SPI來控制的，SPI是一種高速的、全雙工、同步的通信總線，其時(shí)序很簡單，主要是在SCLK的控制下由2個(gè)雙向移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。SPI的讀寫程序如下：

由于ADAS1000的寄存器為32 bit，而一次SPI的讀寫操作只能完成8 bit的數(shù)據(jù)交換，因此，進(jìn)行一次模擬前端的寄存器設(shè)置需要進(jìn)行4次SPI操作。

4　應(yīng)用效果

整個(gè)系統(tǒng)硬件電路經(jīng)過設(shè)計(jì)、制板、焊接、調(diào)試，嵌入式軟件程序在編寫與調(diào)試之后經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。圖4為第一版的實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)。

圖4　第一版實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)

對健康成年男性志愿者的測試結(jié)果如圖5所示。圖中顯示了標(biāo)準(zhǔn)三導(dǎo)聯(lián)的心電信號波形，信號中

圖5　健康成年男性志愿者的動(dòng)態(tài)心電信號顯示程序

（????）（????）存在50 Hz的工頻干擾，系實(shí)驗(yàn)電路通過市電供電所致，改用鋰電池供電后干擾消除，信號質(zhì)量有明顯改善。通過與標(biāo)準(zhǔn)心電圖對比，可見使用該系統(tǒng)采集和分析處理心電信號的方法是可行的，達(dá)到了日常監(jiān)護(hù)乃至臨床診斷的要求。

5　結(jié)語

本心電信號采集裝置的最大特點(diǎn)是采用了ADI公司最新的模擬前端ADAS1000，它是一款具有低功耗和小尺寸特性的高性能器件。采用的MSP430單片機(jī)是一種16 bit超低功耗、具有精簡指令集的混合型單片機(jī)。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了印制電路板（printed circuit board，PCB）的一體化集成，減小了系統(tǒng)的體積，適合穿戴式設(shè)備的應(yīng)用。未來可將其發(fā)展為低功耗檢測技術(shù)，再將該技術(shù)嵌入到服飾中，使其成為使用方便、性能可靠的可穿戴系統(tǒng)，最后運(yùn)用該系統(tǒng)開展一系列應(yīng)用研究工作。

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（收稿：2014-12-10修回：2015-01-19）

Design of ECG signal acquisition system based on MSP430 microcontroller

JI Xue-yuan1,WANG Wei-dong2,ZHANG Zheng-bo2,WANG Guo-jing2,PENG Fu-lai3
(1.Chinese PLA Medical School,Beijing 100853,China;2.Medical Engineering Support Center, Chinese PLA General Hospital,Beijing 100853,China;3.School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Objective To design a high performance and low power consumption ECG signal acquisition system which can meet the demand for long time monitoring of the physiological status of patients.Methods The prototype system utilized low power ECG analog front end ADAS1000 and MSP430F5529 microcontroller to achieve configuration of AFE and back-reading of ECG data by SPI bus.Results This system implemented 24-hour dynamic ECG monitoring of patients in active state,and the data acquired were accurate and reliable.Conclusion The system realizes PCB integration,low power consumption,and can be used for battery powered portable application such as wearable devices.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：6-8，46]

MSP430;ADAS1000;ECG;low power consumption

[中國圖書資料分類號]R318；TH772.2A

1003-8868（2015）05-0006-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.006

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAI03B04）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61372047）

季雪淵（1989—），男，主要研究方向?yàn)獒t(yī)療儀器、穿戴式醫(yī)療電子設(shè)備設(shè)計(jì)，E-mail:jixueyuan163@163.com。

100853北京，解放軍醫(yī)學(xué)院（季雪淵）；100853北京，解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程保障中心（王衛(wèi)東，張政波，王國靜）；100081北京，北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院（彭福來）

王衛(wèi)東，E-mail:wangwd301@126.com