【作 者】曹昌盛，伍守豪，吳京蘭，徐銘

1 深圳清華大學(xué)研究院數(shù)字電視系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518057

2 深圳市南山人民醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科，深圳市，518067

3 深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，深圳市，518060

基于ADS1298R的ECG信號(hào)采集終端的設(shè)計(jì)

【作 者】曹昌盛1,3，伍守豪1，吳京蘭2，徐銘3

1 深圳清華大學(xué)研究院數(shù)字電視系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518057

2 深圳市南山人民醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科，深圳市，518067

3 深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，深圳市，518060

該文以TI公司的MSP430F6659和ADS1298R芯片為核心，設(shè)計(jì)了面向家庭健康監(jiān)護(hù)的心電信號(hào)采集與顯示終端。首先介紹了心電采集的基本原理，然后以MSP430F6659和ADS1298R芯片為核心闡述了系統(tǒng)總體方案，并介紹了其外圍接口、心電波形LCD實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、USB與上位機(jī)通信等模塊。所設(shè)計(jì)的ECG信號(hào)采集終端具有體積小、功耗低等特點(diǎn)。

ECG信號(hào)采集；ADS1298R；心電導(dǎo)聯(lián)；MSP430F6659

0 引言

心臟搏動(dòng)時(shí)，心肌在激動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生微弱的電流，稱之為心電。通過(guò)測(cè)量電極將某體表部位的電信號(hào)傳導(dǎo)出來(lái)，再經(jīng)過(guò)信號(hào)放大和濾波電路的處理，并用記錄器描記下來(lái)，畫(huà)出的變化曲線即為ECG(心電圖)[1-2]。心電信號(hào)具有隨機(jī)性強(qiáng)，噪聲背景性強(qiáng)，信號(hào)頻率低等特點(diǎn)，有大量的直流成分，去掉直流后主要頻率范圍是(0.05～100) Hz，大部分能量集中在(0.05～40) Hz。人體心電信號(hào)是反映心血管功能的重要生理參數(shù)。隨著科技的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的日趨提高，人們對(duì)自身身體狀況的關(guān)心和關(guān)注越來(lái)越明顯，便攜式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備受到越來(lái)越多的青睞。本文以家庭和社區(qū)應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種心電采集系統(tǒng)，采用TI的超低功耗芯片MSP430F6659和模擬前端ADS1298R方案，具有體積小、功耗低的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案

本文的硬件電路以TI公司模擬前端ADS1298R芯片和低功耗16位單片機(jī)MSP430F6659為核心，輔以外圍電路如電源電路、單片機(jī)復(fù)位電路以及USB接口電路等電路而進(jìn)行設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的信號(hào)采集、放大、處理電路，只需簡(jiǎn)單的芯片接口配置和寄存器配置就能完成ECG心電信號(hào)的采集、顯示、存儲(chǔ)以及傳輸。其硬件系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 采集前端硬件方案框圖Fig.1 The block diagram of the front-end hardware

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集前端

本文采用TI公司的ADS1298R芯片作為心電信號(hào)采集前端，ADS1298R是一個(gè)具有8通道24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的集成模擬前端，主要用于心電信號(hào)的采集[3]。ADS1298R還具有內(nèi)置的可編程增益放大器（PGA），內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)鐘和一個(gè)晶體振蕩器，每個(gè)通道的抑制比大于110 dB，輸入阻抗為10 MΩ，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率500 Hz～32 kHz可調(diào)。ADS1298R芯片內(nèi)部集成有右腿驅(qū)動(dòng)電路，威爾遜中心電端和導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路等，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，具有所有醫(yī)療心電和腦電信號(hào)采集要求的所有特性。借助于其高度的集成特性和出色的性能，ADS1298R可以大大減小醫(yī)用消費(fèi)電子產(chǎn)品的尺寸、功率和總體開(kāi)發(fā)成本，延長(zhǎng)便攜式醫(yī)療器械的使用/待機(jī)時(shí)間。

ADS1298R采集前端通過(guò)導(dǎo)聯(lián)和人體連接，導(dǎo)聯(lián)可分為肢體導(dǎo)聯(lián)和胸導(dǎo)聯(lián)[4-5]。以右腿為參考，LA(左臂)、RA(右臂)、LL(左腿)分別和RL(右腿)之間的電勢(shì)差為三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)：I、II、III；以心臟為中心即威爾遜中心電端，左腿、左臂、右臂與心臟的點(diǎn)位差構(gòu)成三個(gè)單級(jí)肢體導(dǎo)聯(lián)：aVR、aVL、aVF；V1～V6六個(gè)胸部電極與威爾遜中心電端的電位差構(gòu)成6個(gè)胸導(dǎo)聯(lián)。每個(gè)導(dǎo)聯(lián)的輸入端加入過(guò)壓保護(hù)電路和濾波電路，在具體的測(cè)量過(guò)程中選擇肢體導(dǎo)聯(lián)或者胸導(dǎo)聯(lián)。

2.2 MCU及外圍模塊

本文采用TI公司的MSP430F6659作為主處理芯片，主要完成讀取ADS1298R轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，將其處理后根據(jù)需要進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示和傳輸。MSP430F6659具有高性能、低功耗的特點(diǎn)[6]，能在25 MHz晶振的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40 ns的指令周期。16位數(shù)據(jù)寬度、40 ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，指令速度可達(dá)25 MIPS。MSP430F6659包括4分16位定時(shí)器，一個(gè)高性能12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，3個(gè)串行通信接口，一個(gè)報(bào)警功能的時(shí)鐘模塊，1個(gè)比較器以及USB2.0和74個(gè)通用I/O口[7]。這些豐富的接口資源可以省去大量的外圍電路設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔。

存儲(chǔ)部分采用容量為4 GB的MicroSD卡，具有體積小、成本低、可以方便的移植文件系統(tǒng)，編程方便等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中當(dāng)采樣率為500 Hz時(shí)，可以連續(xù)存儲(chǔ)48 h以上無(wú)壓縮的8通道心電數(shù)據(jù)。

顯示部分采用屏幕大小是7.0 in(1 in=25.4 mm)，分辨率為800×480的多功能總線型LCD彩色顯示屏幕。顯示模塊可以提供文字與繪圖模式功能，可結(jié)合文字或 2D 圖形應(yīng)用。特有的 BTE 功能， 能夠完成各類(lèi)圖形文字處理， 提高 MCU 軟件執(zhí)行效率。MCU將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至LCD，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)心電波形、實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的參數(shù)和計(jì)算結(jié)果的顯示。

與PC的通信模塊采用MSP430F6659內(nèi)部集成的USB模塊，該USB模塊是基于USB2.0設(shè)計(jì)，可以使用鎖相環(huán)倍頻至48 MHz，內(nèi)部提供豐富的API接口，包括大容量存儲(chǔ)設(shè)備（MSC）、人機(jī)交互設(shè)備類(lèi)（HID）、基于虛擬串口的設(shè)備類(lèi)（CDC）、國(guó)際通用醫(yī)療衛(wèi)生專用的設(shè)備類(lèi)（PHID）四種通信設(shè)備類(lèi)。本文采用CDC的通信設(shè)備類(lèi)，實(shí)際速率可以達(dá)到（200～300）byte/s，滿足心電采集的速率要求。整體的外圍接口設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 MCU外圍結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 MCU external structure diagram

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 ADS1298R的軟件配置

ADS1298R的初始化首先要初始化芯片需要的時(shí)鐘，是否使用外部晶振，設(shè)置復(fù)位操作，等待上電穩(wěn)定，配置外部參考電壓，配置各個(gè)功能寄存器，選擇自定義功能等。這些配值可以完成ADS1298R的功能選擇，配置需要的功能模式，其初始化流程圖如圖3所示。其中最主要的是設(shè)置連續(xù)采集與單次采集模式、設(shè)計(jì)右腿驅(qū)動(dòng)及胸導(dǎo)聯(lián)的工作模式等。

ADS1298R的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分為兩種，一種是單次讀取，命令為RDATA(12 H)，在該工作模式下每發(fā)送一次RDATA命令讀取一次采集數(shù)據(jù)。第二種方式為連續(xù)讀模式，命令為RDATAC(10 H)，在該模式下為連續(xù)轉(zhuǎn)換連續(xù)讀取，當(dāng)一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后信號(hào)引腳變?yōu)榈碗娖剑砻骺梢宰x取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，此時(shí)連續(xù)發(fā)送27 byte的測(cè)試信號(hào)以讀取所有的轉(zhuǎn)換結(jié)果，拉高。當(dāng)數(shù)據(jù)全部讀出后等待下次引腳電平變化，當(dāng)電平變低時(shí)再讀取數(shù)據(jù)。停止轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送STOP(0A H)命令，發(fā)送開(kāi)始轉(zhuǎn)換命令START(08 H)再次開(kāi)始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

圖3 ADS1298R的初始化流程Fig.3 ADS1298R initialization process

3.2 采集終端軟件實(shí)現(xiàn)

本軟件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，對(duì)各個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)，再將模塊的功能整合成API功能函數(shù)的接口。主程序中調(diào)用API接口，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)采集終端的軟件設(shè)計(jì)，完成心電數(shù)據(jù)的采集，整體的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 采集終端的軟件流程圖Fig.4 Software flow chart of acquisition terminal

根據(jù)圖4軟件實(shí)現(xiàn)流程圖，軟件實(shí)現(xiàn)的流程為：首先完成各個(gè)模塊的上電初始化，包括ADS1298R初始化、USB接口初始化、LCD和MicroSD卡初始化、時(shí)鐘初始化、定時(shí)器初始化等，能使全局中斷。

其次完成采集終端的功能配置。功能配置的第一步是選擇采集終端的工作模式，工作模式分為USB模式和存儲(chǔ)模式，兩種模式下都實(shí)時(shí)顯示心電波形。選擇USB模式時(shí)，應(yīng)用基于虛擬串口的USB接口將采集終端采集的心電數(shù)據(jù)傳輸至電腦端的上位機(jī)并保存起來(lái)；選擇存儲(chǔ)模式時(shí)，采集終端將采集的心電數(shù)據(jù)保存在MicroSD卡中。MicroSD卡采用移植小型的FatFs文件系統(tǒng)，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和操作。ADS1298R設(shè)置為500 Hz的采樣頻率采集數(shù)據(jù)，每次采樣采集8個(gè)通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)時(shí)再加上一個(gè)ADS1298R的狀態(tài)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)24位精度，即每次采樣為9×3 byte = 27 byte的數(shù)據(jù)，MicroSD卡可以連續(xù)存儲(chǔ)48 h以上的數(shù)據(jù)。完成工程配置后進(jìn)行心電數(shù)據(jù)采集，采集的同時(shí)將心電波形在LCD上實(shí)時(shí)顯示。

4 結(jié)果和測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的采集終端樣機(jī)的實(shí)物圖如圖5所示，連接上肢體導(dǎo)聯(lián)，按鍵選擇心電測(cè)量，LCD顯示屏幕上實(shí)時(shí)顯示心電波形圖，對(duì)不同的人進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)不同的人均能正確顯示心電波形。

圖5 實(shí)物演示Fig.5 Physical demonstration

5 總結(jié)

本文采用基于TI公司的ADS1298R芯片模擬前端和MSP430F6659超低功耗MCU方案設(shè)計(jì)的心電信號(hào)采集終端，可以完成在LCD上實(shí)時(shí)顯示心電信號(hào)波形；同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MicroSD卡中，能夠連續(xù)存儲(chǔ)48 h以上的無(wú)壓縮數(shù)據(jù)，方便用戶長(zhǎng)時(shí)間記錄和存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)；可選擇將采集的心電數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸至PC端的上位機(jī)并保存，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析。

本設(shè)計(jì)還可以在以下兩方面進(jìn)行改進(jìn)：一是使用處理能力更強(qiáng)的MCU，加入心電數(shù)據(jù)處理的算法，以達(dá)到對(duì)心電波形實(shí)時(shí)自動(dòng)分析的目的[8]。二是充分利用ADS1298R芯片內(nèi)置的起搏信號(hào)檢測(cè)功能和呼吸阻抗功能等將系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展，豐富系統(tǒng)功能。

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Design of ECG Signal Acquisition Terminal Based on ADS1298R

【W(wǎng)riters】CAO Changsheng1,3, WU Shouhao1, WU Jinglan2, XU Ming3
1 Digital TV System Key Laboratory of Research Institute of Tsinghua University in Shenzhen, Shenzhen, 518057
2 Department of Critical Care Medicine of Nanshan People's Hospital in Shenzhen, Shenzhen, 518067
3 School of Information Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, 518060

The home health monitoring of the ECG signal acquisition and display terminal is designed with MSP430F6659 and ADS1298R chip of TI company. The basic principles of ECG collection is introduced in the beginning, and then the overall scheme of the system is described by MSP430F6659 and ADS1298R chip as the core, and the modules peripheral interface, real-time display in LCD, data storage and USB are introduced. The ECG signal acquisition terminal designed in this paper has the characteristics of small size, low power consumption and so on.

ECG signal acquisition, ADS1298R, ECG lead, MSP430F6659

TH772；TN911.7

A

1671-7104(2017)01-0023-03

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.01.007

2016-04-27

深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目（CXZZ20130516153930222）

伍守豪，E-mail: wush@tsinghua-sz.org