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基于MSP430F149的心电图获取系统的设计

摘要：心血管疾病是威胁人类身体健康的主要疾病之一，心电图监测是诊断心血管疾病的主要方式。这篇论文主要介绍简单基于MSP430F149的三导联心电图获取系统的设计过程，介绍此设备的结构和功能，最终介绍各个模块的功能、电路设计和程序设计。这个设备用超低功耗微处理器MSP430F149完成数据获取的过程和收集心电图信号进行AD抽样和转换。此设备通过蓝牙模块把心电图信息发送到病人的手机。这篇文章详细的解释了软件开发过程、硬件电路的设计和操作。软件开发包括主程序，定时器A中断，按键中断，AD转换器和串口通信程序。这个设计可以设计一个基于三导联的心电图检测系统。

关键字：心电图；数据获取；蓝牙；MSP430F149

1. 简介

心血管疾病是威胁人类身体健康的主要疾病之一，心电图监测是诊断心血管疾病的主要方式。传统的心电图监测设备价格昂贵，并且电线传输不方便，因此不能达到大多数患者的消费需求。这篇文章探讨了简单三导联心电图获取系统，这个系统通过无线通信方式将心电图信息发送到病人的手机，并且把病人的信息通过手机发送到社区医院诊断系统。这个设备使用简单，低功耗，能够满足持续工作的需要。此设备还有价格低的优点，大多数人有购买的能力，因此此设备是家庭使用和社区医疗服务的最好选择。

这篇文章介绍基于MSP430F149的硬件和软件的设计过程。软件设计包括主要程序，定时器A中断，按键中断，AD转换器和串口通信程序。

2.系统组成

这一部分详细的介绍了系统的各个组成，包括硬件和软件设计的结构模型。简单三导联心电图系统通过传感器收集信号，信号经过放大和滤波以后通过MSP430F149内部的A/D模块采样和转换。转换完成的信号通过蓝牙模块发送到PC，PC机分析处理收集到的信号。系统组成图如图1所示。

图1 系统组成框图

3.硬件设计

　　这个设备的核心部位是中央控制芯片。它选用德州仪器的MSP430家族的超低功耗微处理器MSP430F14X系列芯片，此芯片内部集成针对各种应用的各种外围设备。这个芯片的主要特色是内部的16位强有力的精简指令集CPU，16位的寄存器和有助于实现最大代码效率的常量发生器。数字控制时钟可以实现在6us之内从低功耗模式向工作模式的转变。所以这种芯片满足这个设计的需求。

3.1.MSP430F149电路设计

MSP430F149是配置有2个内部16位计时器、1个快速12位A/D转换器，1个或2个通用串口同步通信接口（USART）和48个I/O管脚。它的典型应用包括传感器系统，这个系统能够捕获模拟信号，将模拟信号转换为数字值，并且将这些数据处理后发送给主系统。这一系列芯片拥有低的电压范围1.8V~3.6V，MSP430F149的最小系统电路图如图2所示。

图2 MSP430F149最小系统电路图

3.2.蓝牙接口设计

蓝牙模块选择顶级蓝牙芯片提供商Cambridge Silicon Radio提供的使用BlueCore4-AudioROM芯片组2代蓝牙模块GL—6B。GL—6B连接高达8Mbit的外部闪存。当使用CSR蓝牙软件堆栈，它提供一个蓝牙规范V2.0 EDR，此规范完全支持数据和语音通信系统。GL—6B的操作频率是未被注册的ISM频带2.4GHz—2.48GHz。它的操作电压是3.3V，蓝牙接口电路如图3所示。

图3 蓝牙接口电路

3.3ADC接口设计

MSP430F149拥有12位A/D转换器，此转换器有内部参考电压，采样、保持自动扫描的特点。这个ADC12模块支持快速12位模数转换。这个模块使用12位SAR内核，采样选择控制，参考电压产生器和16个字节的转换控制寄存器。转换控制寄存器允许高达16个独立的ADC采样值在没有任何CPU的干预下被转换和存储。ADC接口电路如图4所示。

图4 ADC接口电路

3.4.电源模块设计

此设备是便携式仪器，所以它用电池供电。电池提供3.3V电压，MSP430F149拥有低的供给电压范围1.8—3.6V。

4.软件设计

设计的空间是IAR嵌入式工作空间。IAR嵌入式工作空间是专门为MSP430微处理器设计的用于建立和调试嵌入式应用程序的集成开发环境（IDE）。拥有优化的C/C 编译器的IAR嵌入式工作环境为MSP430X家族的设备提供广泛的支持，并且能够产生非常简洁和有效的代码。标准版包括各种硬件调试系统和操作系统。

设计的主要程序包括数据获取程序和数据传输程序。系统软件流程图如图5所示。

在建立蓝牙连接和抽样没有完成之前，设备开始收集数据，开始AD转换，然后选择3个信号中的一个。ADC转换之后，它用两个缓冲器A和B缓存数据，然后通过确定缓冲标志位来确定哪个数据被存储下来。缓冲器接收完1500个字节后会将标志位置1.ADC转换器流程图如图6所示。

图5 程序流程图

这个设计的无线通信技术是蓝牙技术。MSP430F149使用16MHz的晶振频率，蓝牙模块使用串口通信，同步串口通信波特率是460800.串口通信协议如表1.

表1 串口通信协议

5.调试和仿真

5.1.理论测试

系统的理论测试是利用信号产生器进行的。
　　调试的步骤如下：

·把JTAG接口精确的连接到仿真器和PCB电路板上。

·用USB插座把蓝牙适配器接入电路板。

·把导线插入信号产生器，并且打开信号产生器。

当需要下载程序时，首先打开程序，编译然后按下开关，点击下载命令，程序被成功下载。第二步按下开关，电源指示灯正常闪烁，打开蓝牙连接接口，搜寻蓝牙设备，然后建立蓝牙连接。成功建立连接以后，打开主机接口，点击连接命令。最终正确的波形会在电脑上显示。理论测试的波形如图7所示。

图7 理论测试波形

5.2.人体测试

下一步是把设备和人体进行连接进行真实测试。真实测试有两种情况，一种是静态测试，另一种是动态测试。静态测试的波形如图8所示。动态测试的波形如图9所示。

图8 静态测试波形

图9 动态测试波形

根据图7和图8所示，当人们处于静态（竟可能的不活动）时测量到的ECG波形是规则的，当人们处于动态（移动和讲话）时测量到的ECG波形不规则。根据以上的测试，当病人使用此设备时，我们建议病人最好坐下，不走动，这样测量的结果会非常好。

6.结论

总的来说，传统的检测器电缆传输信号不方便，价格昂贵，所以它并不能满足大多数病人的需要。这篇文章介绍了3导联ECG信号获取设备的设计过程。这个设备用了无线传输，用电池供电，它可以工作很长时间，并且功耗低，电源损耗低，所以它是家庭或者社区服务应用的最好选择。这个设备可以开辟出ECG信号获取系统的新领域。

7.参考文献

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长续航单导线心电监测器的设计与实现

沈梦 薛世静

中国南京 东南大学 国际移动通信研究实验室

摘要

一些心脏疾病需要长时间的监测来诊断。在这篇文章中，我们讲述了一个可穿戴的但导联心电监测设备，这个设备是基于MSP430和单导联心电信号前端AD8232，具有低功耗特点，它能够连续7天获取和存储病人的心电信号数据。这个设备体积比较小，可以长时间的穿戴。另外，它可以通过一个加速度传感器监测使用者的情绪状态，它支持蓝牙4.0协议。所以它和一个智能手机还可以作为一个动态心电频率监测器或者睡眠质量监测器。这个设备在人们日常生活中的卫生保健方面有巨大的应用潜力。

关键词

单导联心电信号、长期监测、低功耗

简介

长期心电图监测在临床心脏疾病诊断有重大的意义。一些疾病在心电图上的表现有零星性和瞬态性，通常，主流的霍尔特监测器只能连续的监测用户的心电信号24个小时，并不能够满足需求，举个例子，24小时动态心电监控外科房颤消融治疗后后续无法提供准确的心率状态。长期监测设备需要有便携式，舒适，和对用户的日常生活没有影响。最近几年，很多学校和研究机构为了记录用户日常生活中的长期的心电图信号已经设计很多种长期心电图监测设备。S. Suave Lobodzinski讲述了一种长时间14天的心电图监测仪，它直接和皮肤接触，不需要电极和电线。

这篇文章讲述了一种长时间单导联ECG监测设备，它可以通过USB通信协议上传ECG信号到电脑中，可以在电脑中进行数据的分析和处理。系统设计介绍在第二部分，软件设计在第三部分进行描述。第四部分讲述了实验结果，第五部分是结论。

2.系统设计

设计注意事项和规范

心电监测仪实现长时间单导联心电信号监测，心情信号获取，也支持和电脑和手机的无线传输，具体的说包括下面几个功能：1）单导联心电信号获取通过256Hz的采样频率和12位的采样精度，2）心情状态监测使用3D加速度传感器，采样频率为64Hz，采样精度为16位。3）7天心电数据和心情数据的存储。4）支持USB接口，通过USB接口上传数据到电脑。5）支持蓝牙无线通信，能够和手机进行无线通信。

这个系统用于长时间数据获取和存储，所以低功耗的设计是必须要考虑的。当然，系统必须体积小，穿戴舒适，对用户的日常生活没有影响。

2.2．系统结构

因为这个设备主要用于记录心电信号和心情数据，并没有涉及复杂的操作，所以在我们的系统中使用单片机。考虑到尺寸和功耗，我们选择MSP430F5524，这是一款Texas Instrument公司的超低功耗微处理器。这个芯片配置有集成USB，物理成协议支持USB2.0，一种高性能12位模数转换器，两个通用的串口通信接口（USCI），他们可以分别用于SPI ，IIC和UART。

系统包括下面的模块：MCU控制模块，心电信号模拟前端，蓝牙模块，SD卡存储模块，情绪传感器模块，电源管理模块。设备的系统结构如图1所示。

我们采用ADI公司的完全集成的AD8232进行心电信号获取。我们选用ST公司的3D加速度传感器作为情绪传感器。选用可替换的4GB存储空间的SD卡作为心电信号存储单元，可以存储患者连续7天的心电信号数据。MSP4

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