基于MSP430設(shè)計(jì)的微型家用心電圖機(jī)

一、概述

　　心血管疾病是一種較為普遍的疾病，隨著生活節(jié)奏的加快，生活水平和健康意識(shí)的提高，人們需要隨時(shí)對(duì)心臟進(jìn)行健康監(jiān)護(hù)并且能在比較危急的情況下進(jìn)行及時(shí)的診治；同時(shí)，如果長(zhǎng)期住在醫(yī)院里面進(jìn)行監(jiān)護(hù)和治療，那樣花費(fèi)高而且也給醫(yī)院帶來(lái)了不小的門診壓力。心電圖機(jī)是診斷心臟病的重要儀器之一，目前市場(chǎng)上有多種心電圖機(jī)，但是這些心電圖機(jī)都不太適合在家庭中使用。為此，一種能夠在家庭中應(yīng)用、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的低功耗家用電圖機(jī)的設(shè)計(jì)方案應(yīng)運(yùn)而生。

　　總所周知，隨著科學(xué)技術(shù)的推進(jìn)、人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，全球醫(yī)療儀器的發(fā)展也是日新月異。21世紀(jì)的醫(yī)療行業(yè)主要呈現(xiàn)以下兩個(gè)特點(diǎn)：第一、未來(lái)的醫(yī)療世界，主要的代表產(chǎn)品是納米機(jī)械元件、隨身佩戴式化學(xué)感測(cè)器、居家保健應(yīng)用醫(yī)療器材等。第二、信息與醫(yī)療技術(shù)緊密地結(jié)合在一起。家用心電圖機(jī)的設(shè)計(jì)正是順應(yīng)這兩個(gè)大趨勢(shì)。另外，從這次SARS病毒爆發(fā)來(lái)看，可以預(yù)計(jì)，它將會(huì)推動(dòng)居家保健應(yīng)用醫(yī)療器材的發(fā)展。因此，家用心電圖機(jī)在國(guó)內(nèi)外都是一種新型產(chǎn)品，具有極大的市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿Α?

二、功能與基本原理

（一）總體設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)心臟的"健康監(jiān)護(hù)"和"家庭門診"，該家用心電圖機(jī)具有以下基本功能：

　　利用液晶顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示心電波形和工作菜單；

　　利用外部存儲(chǔ)器將需要存儲(chǔ)的心電信息保存以便日后作為診治參考；

　　利用打印機(jī)將心電圖打印存檔；

　　可整理保存用戶的記錄信息；

　　多種操作模式，自動(dòng)，手動(dòng)操作可以任意選擇；

　　可以方便的將從人體采集到的心電信號(hào)傳送到相關(guān)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)。

　　考慮到用戶實(shí)際使用的需要，家用心電圖機(jī)還必須滿足以下的特點(diǎn)：

　　抗干擾能力強(qiáng)；

　　體積小，重量輕，攜帶方便；

　　操作簡(jiǎn)單；

　　功耗低；

　　為了得到廣泛推廣使用，生產(chǎn)成本要低，必須有比較好的性能價(jià)比。
該家用心電圖機(jī)采用的是干電池供電，而干電池供電需要解決的一個(gè)基本矛盾是：低功耗要求系統(tǒng)采用比較低的時(shí)鐘頻率而與此同時(shí)要求系統(tǒng)對(duì)一些基本的操作能夠快速反應(yīng)和啟動(dòng)，這就要求系統(tǒng)最少具備兩種高低不同的頻率，必要時(shí)兩種頻率可以切換使用。正因?yàn)镸SP430 F135具有豐富靈活的時(shí)鐘模塊，所以本系統(tǒng)選取它來(lái)作為控制核心，與此同時(shí)還選用了與之配套的低功耗外部存儲(chǔ)器AT29LV1024和液晶顯示模塊LMS0192A。

　　德州儀器公司所提供的MSP430為高整合、高精度的單芯片系統(tǒng)，是目前工業(yè)界中具有最低功耗的flash 16-bits RISC微控制器。MSP430 F135具有強(qiáng)大的處理功能和豐富的外圍模塊，可方便地實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集、處理、存儲(chǔ)、打印以及傳輸。另外，將其作為系統(tǒng)的控制核心，可以極大地簡(jiǎn)化整個(gè)硬件電路和提高系統(tǒng)的性價(jià)比。

　　心電信號(hào)由電極或?qū)?lián)線從人體采集，經(jīng)放大、濾波處理后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，送液晶顯示。如需存儲(chǔ)則按下存儲(chǔ)鍵后心電數(shù)據(jù)就會(huì)存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器中，而且在需要回放、打印、傳輸時(shí)，可以直接從外部存儲(chǔ)器中調(diào)出使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種功能?？梢灾苯永镁W(wǎng)絡(luò)或電話將家用心電圖機(jī)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳送到相關(guān)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)診斷、處理之后由醫(yī)療機(jī)構(gòu)反饋回來(lái)，因而方便和高效地實(shí)現(xiàn)了"家庭門診"和"健康監(jiān)測(cè)"，既節(jié)省了用戶開(kāi)支又相對(duì)減輕了醫(yī)院的門診壓力。本系統(tǒng)采用了圖1所示的電路結(jié)構(gòu)。

（二）心電信號(hào)的檢測(cè)及采集

　　家用心電圖機(jī)所需檢測(cè)的心電信號(hào)幅值在0.05～4 mV，頻率在0.05～72Hz。而檢測(cè)中存在的主要干擾信號(hào)有電極板與人之間的極化電壓、50Hz工頻干擾、儀器內(nèi)部噪聲和儀器周圍電場(chǎng)磁場(chǎng)電磁場(chǎng)的干擾等等。心電信號(hào)中50Hz工頻干擾可以利用自適應(yīng)模板法消除，則心電圖機(jī)模擬部分可以采用如圖2所示的硬件結(jié)構(gòu)。心電信號(hào)經(jīng)電極或?qū)?lián)線采集后，先要進(jìn)行電壓放大。電壓放大器一般由兩級(jí)組成，前級(jí)采用負(fù)反饋差動(dòng)放大電路。系統(tǒng)中，采用TI公司的基于雙運(yùn)放電路的微功耗儀表放大器INA321芯片作為心電信號(hào)的前級(jí)放大器，放大倍數(shù)為10倍。由于72Hz以上的干擾信號(hào)較強(qiáng)而0.05Hz以下的干擾信號(hào)相對(duì)較弱，所以在濾波電路中，采取先低通濾波取出72Hz以下的信號(hào)，然后接高通的方式，這樣就能濾除極化電壓信號(hào)得到心電信號(hào)。由于在前面的濾波電路中采用了RC高通濾波電路，該電路具有較高的輸出阻抗，所以后級(jí)放大采用了同相放大電路，放大倍數(shù)為20倍。

　　心電信號(hào)的最高幅值為4mV，經(jīng)過(guò)200倍的放大為0.8V，而A/DC的輸入范圍為0～2.5V，設(shè)計(jì)時(shí)取中間值1.25V為參考，所以放大后的心電信號(hào)疊加參考電壓1.25V后大小為(1.25