基于MSP430F149的简易心电图仪设计

摘要：该设计实现了一款基于MSP430F149的低功耗、低成本且携带方便的简易心电图仪设备。该心电图仪以低功耗单片机MSP430为核心，通过前置放大、后级放大、滤波电路、电压抬升电路和LCD显示模块，使得该仪器具有显示心电图功能及具有存储回放功能。

关键词：心电图；低功耗单片机；信号处理

中图分类号：TP338文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)19-4743-03

Simple Ecg Instrument Design Based on MSP430F149

YANG Zhong, YANG Shou-jian, WU Yang-bo

(Faclty of Information Science and Egineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

Abstract: Electrocardiogram apparatus is based on MSP430F149 implementation, which is in a low power consumption, low cost and easy to carry . It uses the MSP430 low power consumption MCU as the core,combined with preamplifier, amplifier, filter circuit,voltage elevating circuit and LCD display module, which makes the instrument has the function of display electrocardiogram and storage and playback electrocardiogram.

Key words: electrocardiogram；low power consumption MCU；small signal processing

心电图仪是用来记录病人的心电活动的仪器，它通过测量人体的生物电信号，可以用来诊断心肌梗塞、心律失常等心血管疾病[1]。目前国内各大医疗器械厂商和科研单位都在心电图仪的开发上投入了大量的资源，并且都研发出了各具特色的心电仪产品，但是此类心电图仪还是没有得到很好的普及，究其原因，作者认为存在以下几个方面：体积笨重、不便于携带很难在急求状态下及时进行心电监护工作，而且这些心电图仪产品价格都十分昂贵，只有一些有实力的医院才有能力购买，对于一些规模有限的医疗机构或者个人则是沉重的负担，没有得到良好的普及。

本设计从体积小、价格低、方便携带等几个方面着手，采用以MSP430F149超低功耗单片机为核心，通过前置放大、后级放大、滤波电路、电压抬升电路和LCD显示模块使得该仪器具有显示心电图功能及具有存储回放功能。

1 心电信号的性质和特点

心电信号是由于心脏周期性跳动产生的电活动[2]。在每个心跳周期中，心脏窦房结细胞内外电位产生快速的变化会使人体体表的不同部位都会产生有规律的电位变化。而心电图是通过对体表不同部位的电位信号进行采集，放大，并实时显示所得的波形。标准心电图[3]如图1所示。

心电信号的特点：

1）心电信号强度弱，具有较低的信噪比。心电信号的幅值约为20μV-5mV。

2）心电信号频率低（0.05-100Hz）。

3）心电信号源阻抗大。一般心电信号源阻抗约为1-100kΩ。

4）环境中的电磁干扰大。

2 系统总体方案设计

系统的总体方案如图2所示，简易心电图仪系统主要由前置放大、后级放大、滤波电路、电压抬升电路、单片机模块、按键模块和LCD显示模块构成。因为电极采集的心电信号参杂着共模信号，所以需经前置放大，进行差模信号放大，去除共模信号。再经后级放大将心电信号放大。但放大后的电信号仍然参杂着电磁干扰和高频信号干扰，要进行滤波处理。具体操作是先隔直，后低通，再50Hz陷波（去工频干扰）。经滤波后的电信号为双极性信号，需抬高，才能进行AD采样。MSP430F149对电压抬升后的电信号进行AD采样。系统通过按键电路，来控制LCD显示的内容。

3 系统硬件电路设计

3.1 前置放大电路

因为电极采集的心电信号参杂着共模信号，所以前置电路采用共模干扰抑制比很高的AD620设计。前置放大电路如图3。电路中R5=8.25kΩ为增益反馈电阻，则前级放大器放大倍数为G=7。放大器OP07的作用是使用了右腿屏蔽驱动电路，给差分信号提供参考地。心电图仪的电极分别夹在测试者得右手（RA），左手（LA）和右脚（RL）。电极到AD620的导线采用屏蔽线，屏蔽线中的双绞线与RL相连，这样可以有效地屏蔽50Hz的工频干扰。

3.2 后级放大电路

通过AD620前置放大后的信号还是很微弱，采用精度较高的OP07对信号进行后级放大。后级放大电路采用二级同相放大电路，如图4所示。放大倍数由反馈电阻R6和R7，R8和R9决定。第一级放大倍数为：G1=1+R6/R7，第二级放大倍数为：G2=1+R8/R9，后级放大倍数为G=G1*G2。

3.3 滤波电路

尽管通过前面放大电路后，共模信号被有效的抑制，但由于电极与人体接触时，因为不同的人体、导线等因素造成的一些不平衡因素依然存在，这些干扰会对放大器的工作造成严重的影响，因此，在放大器电路中滤波是很必要考虑的问题[4]。根据心电信号的频率特性，滤波电路有三部分组成：隔直电路、二阶低通滤波电路和50Hz陷波器电路。

隔直电路采用最普通的RC电路进行隔直。

二阶低通滤波电路采用塞尔低通滤波器如图5,滤除高频干扰信号。其中R11=R12=150 kΩ，C3=C4=0.01μF。则滤波器的传递函数为：

（1）

令s=jw，R11C3=1/w0，则（1）变为：

（2）

根据（2）式可得幅频响应表达式为：

（3）

根据（3）式，，w=w0.则特征频率为：。

采用有源双T结构50Hz陷波器电路如图6，来滤除工频干扰信号。双T电路结构基本是双对称型的，取R13=R14=R15=R16=10kΩ，C5=C6=C7=C8=330nF，最大衰减频率为：f0=50Hz。放大器LF353A用来加正反馈，以改变阻抗。反馈量由R17和R18的分压来决定。取R17=56 kΩ，R18=5.1 kΩ，则品质因素为：Q=3。后级的OP07用来解决前面得陷波电路与后级电路之间的阻抗变换问题，通过电压跟随把滤波后信号传递给下一级电路[5]。

3.4 按键电路与LCD模块

键盘硬件电路如图7所示。按键采用独立式按键。LCD与MSP430F149的接口硬件[6]如图8所示。LCD采用Mzl05-12864模组，它是一块小型的128×64点阵LCD显示模组。采用串行SPI接口方式。3.3V白色LED背光，美观大方。

4 系统软件设计

软件设计原理，按下7键，通过前级电路采集、放大的心电信号经过单片机A/D采集后，进行数据转换并显示在LCD上；按下6键，通过前级电路采集、放大的心电信号经过单片机A/D采集后，进行数据转换并存储在Flash中；按下5键，将存储在Flash中的数据回放显示在LCD中。系统的总体软件流程图设计[7]如图9所示。

5 测试结果及分析

被测人员静卧在床上或者笔直坐着，使用酒精棉球将电极中与人体表面皮肤接触的金属部分擦净，使金属导电性增强，然后将架子夹到准确的位置，然后进行测量人体心电图。要注意的是被测量者在测量过程中不可以乱动，不然会直接影响测量的结果，若是坐着测量者，应该将双手放在膝盖上，这样可减小信号的干扰。实际两次测量图如图10。

人体的心电信号其幅值通常为0.05-5mV，通过前置放大和后级放大电路进行放大。由于心电信号主要频率集中在0.05Hz-100Hz，所以本设计采用了一系列滤波处理。经示波器观察处理后的心电信号，发现波形很好，无高频干扰信号和50Hz的工频干扰。

6 结束语

针对于国内心电图仪的笨重性，价格昂贵，运用低功耗单片机和一些电路，设计了一个简易心电图仪。经过测试，简易心电图仪测得的心电图与医院实测的心电图结果相差不是很大，有一定的精确度。本设计属于动态心电监护仪系统，但其更倾向于微型化，低功耗化和低成本化，目的是使此简易心电图仪被更多的大众所接受且有能力购买使用。设计主要的优势是便携性，且使用低功耗的单片机进行控制测量，具有很高的性价比。随着网络的发展和嵌入式技术的普及，心电图仪也将与远程医疗相结合。渴望该设计与网络相结合，更具实用性和方便性。

参考文献：

[1] 郭继鸿,张萍.动态心电图学[M].北京:人民卫生出版社,2003.

[2] 李保.实用临床心电图学[M].北京:科技文献出版社,2009.

[3] 王志禄,王世霞,何昕.简明心电图工作指南[M].兰州:甘肃科学技术出版社,2010.

[4] 童诗白,华成英.模拟电子设计基础[M].3版.北京:高等教育出版社,2001.

[5] 高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程,模拟电子线路设计[M].北京:电子工业出版社,2007.

[6] 李智奇,白小平,程晓龙,等.MSP430系列超低功耗单片机原理与系统设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.

[7] 祁伟,杨亭.单片机C51程序设计教程与实验[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文