基于MSP430FG439的心率和心电图监测仪

www.Microcontrol.cn 微控设计网 Page 1 of 11 微控技术论坛: 基于MSP430FG439的心率和心电图监测仪 微控技术论坛翻译义工文章 基于MSP430FG439的心率和心电图监测仪 翻译: 吴淑然 哈尔滨理工大学 整理: DC 微控技术论坛版主 原文: Texas Instruments SLAA280A.pdf 此翻译只供参考,一切以原文为准. 最后更新日期 2008.6.19. 摘要 这个应用报告 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 了如何使用 MSP430FG439微控制器来制作一台数字心率监测仪，心脏每秒的跳动通过 LCD 来实现。另外，心率监测仪输出的数字信号通过 RS232 串口在 PC 机上显示心电图。与这个应用相关的 PCB，原理图，相关资料，以及软件在压缩文件中。整个应用的运行使用 CR2032 3-V锂电池。 1.引言 心电图（ECG）,也称 EKG，是在心跳期间由心肌产生的电压而形成的图形轨迹。它为心脏的状态提供一 个准确的评估。 心脏产生一种由心脏传播开来的使人体细胞以一定规律收缩放松的电化学心跳冲击。而且给心脏一个缩 的特征。这个序列由一组叫做窦房结的神经细胞点引起的，然后引起心脏细胞的极化和去极化。这是因为电 子的本质和身体的通过流体含量导电性，这个电化学行为可以通过人体的体 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 来测量。 在身体两个不同的点的实际电压差大约有 1Mv.这个可以通过在人体放置电极触电来测量。四肢和胸壁 成为电极应用的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 点。人与人之间或者是一个人的不同时间的情况可以通过规范化的心电图进行比较。正 常的心电图的典型的向上和向下偏折反应的心脏的心房（两个相对较高的室）和心室（两个相对比较低的室） 交替收缩。 一个典型的正常心跳周期信号波形如图 1显示。这个电压代表由心肌在一个心跳周期中施加的压力。第 一次向上偏折，P，是由于心房收缩而被称为心房复合体波。其它偏折，Q，R，S，和 T，全部是由于心室的 行为而被成为心室复合波。与正常的心电图有任何偏差的心电图都可能是一种心脏的疾病。 www.Microcontrol.cn 微控设计网 Page 2 of 11 微控技术论坛: 基于MSP430FG439的心率和心电图监测仪 图 1.典型的心电图 在这个应用报告中，EKG波形用来通过 MCU来测得心跳率。心跳的计算主要集中的电极简化为两个连接 点。一个是右臂，另一个是左臂。这样类型的设置经常在运动仪器上看到，比如说脚踏车。 2 电路说明 应用的整体的原理图见图 9 2.1前端的放大电路 从电极获得的电信号的峰峰值一般为 1mV.这个信号大约放大 1000 倍才可以用于心电的检测。心电信号 清晰的获得这么大的增益是不容易的，因为人体像一个巨型天线一样，包含着很多噪声，其中主要的是 50HZ/60HZ线性频率噪声。因此放大以后还要经过用高精度的滤波器进行滤波。任何放大器都是把想要的心 电信号和噪声一起放大。在一定的情况下，噪声完全淹没心电信号，使得到的放大信号无效。 比较有效的方法是通过差分放大。由于在电极上获得统一的同样方式的心电信号，普通的噪声可以用理 想匹配的差分放大器自动的消除。 应用的前端差分放大的是仪用放大器 INA321，该放大器把匹配和平衡的整合在一起的增益寄存器。该 放大器工作的最小电压为 2.7V。INA321放大器为心电信号提供一个 5倍的固定放大倍数。用该电路的共模 抑制比 98dB扩展到 3Hz,INA321可以抑制普通噪声其中包括线性频率及其波形。INA321静止的电流时的 40uA, 在关闭状态下的电流小于 1uA。 EKG放大器 通过 INA321的输出的放大的心电信号经 OA0,是 MSP430FG439三个内部放大器之一。图 2是 EKG前端放 大的电路图 www.Microcontrol.cn 微控设计网 Page 3 of 11 微控技术论坛: 基于MSP430FG439的心率和心电图监测仪 图 2是 EKG前端放大的电路图 经过 OA0放大器，EKG信号总共放大了 500倍。忽略电极长度引起的失调和接触点引起共模信号的偏移， 在 OA0的输出。线性频率的成分可以通过图 3中 EKG信号的宽轨迹看出。这样的宽度是因为在 EKG信号上叠 加了线性频率的成分。 图 3 含有 60Hz噪声的放大 500倍的 EKG信号 1-M 的反馈电阻和 4.7-nF电容并联在 OA0提供一个高频滤波器的截止在 250Hz，是作为一个去假信号 的滤波器。 由于较大的放大系数，放大器的输出对皮肤接触阻抗在电极上的变化是敏感的。 这导致被放大的差分 信号的直流成分的变化并且体现差分信号在 EKG的基准线的漂移。 这称为共模信号的漂移，它经常导致 EKG 的波形的起伏。 处理这个问题是通过用 OA1设计一个积分模式。 集成的积分器把 EKG信号放大 5倍并且把 它反馈到 INA321。 不论在皮肤接触阻抗上的怎么变化，反馈允许 INA321保持一个恒定的直流输出。 这个应用主要是用于 EKG的显示和监视，第三个放大器， OA2，可以使用作为在 DAC1输出的和第三个 电极之间的整体的增益缓冲，经常被连接到监测 EKG人的右腿(RL)或右边胸部。 DAC1是 MSP430FG439的两个集成 DAC12， 12位数模转换器之一。DAC1允许用户通过适当的软件算法来 www.Microcontrol.cn 微控设计网 Page 4 of 11 微控技术论坛: 基于MSP430FG439的心率和心电图监测仪 执行一个数字的基线漂移设计、这个功能在本应用报告中没有用到， DAC1提供一个常数适当的电压为放大 器链作为偏心。 3.信号处理和心电的检测 3.1 EKG采样 被放大的 EKG信号传输到芯片上的模数转换器 ADC12输入通道 A1。 ADC12采样 EKG信号的采样频率， f sample为 512 Hz。 精确采样周期通过 Timer_A脉冲触发 ADC12转换得到。 Timer_A由 ACLK计时，ACLK是由 32.768kHz低频率晶体控制振荡器引起。 在 EKG的最快速的偏折在 20ms范围并且发生在 QRS复合体波。 QRS复合体波获取全部 EKG信号波形对 有效的医疗评估的是重要的。 在 512 Hz采样频率或者大约 2ms的采样周期，获取至少 10个 QRS复合体波 采样点并且保证 QRS复合体波充分地被数字化。 QRS复合体对于显示每次心跳也起着决定性的作用，因此， 获取为心跳率计算是必须的。 心跳率典型值在每分钟的 60到 200下，或者大约 3 Hz到 4 Hz。 3.2 滤除线性噪声 被采样的 EKG信号波形包含某一相当数量被叠加的线频率内容。 数字式过滤采样消除线频率噪声。 在 这个应用中 17阶的低通滤波器上限通过频率为 6Hz，截止的下限为 30 Hz。 滤波器系数被称补偿滤波器衰 减和为 EKG信号提供另外的获取增益输出。 这加起来的 EKG信号放大大倍数大于 1000。 图 4显示 FIR滤 波器输出的 EKG信号波形 滤波器的输出用 MSP430的 DAC0从新生成 EKG信号模拟波形的或可以使用 MSP430的 UART在 115.2 kbps 在个人计算机屏幕将显示 3.3 QRS复合体波 为了准确地计算心跳，必须为每次心跳打查出 QRS复合体波。 QRS复合体波是 EKG信号波形的快速上升 的部分。 如果 EKG的低通滤波采样区分或高通过滤， 每次心跳 QRS复合体波被隔离。 在这个应用报告 17 阶高通 FIR滤波器的 2 Hz一个拐角频率得到应用。 从过滤器的输出端减去一个固定的被过滤的产品通过减 去固定的阈值进一步处理。除去 P和 T波造成以及其他运动引起的不想要的失调 。使用这个方法， QRS复 合体波从完整的 EKG信号波形区别出来。 图 5显示从 QRS分辨器输出到心跳监测和心脏率算法的输入的信 号。 www.Microcontrol.cn 微控设计网 Page 5 of 11 微控技术论坛: 基于MSP430FG439的心率和心电图监测仪 Figure 5 可识别的 QRS波形 3.4 FIR滤波器 线性相位对称 FIR滤波器用于这种应用。 由于滤波器系数的对称本质使用对称 FIR滤波器在算术累加操 作的需求降低到一半。The filter results are rounded to 16 bits. 图 6显示在应用中低通滤波器的频率特性曲线。注意滤波器的放大作用，它是通过乘所有系数得到的。 图 6 17阶的低通滤波器及其频率响应 图 7显示这种应用的高通滤波器的频率特性曲线。 滤波器系数的计算了使用 ScopeFIR，滤波器设计和分 析软件工具在 www.iowegian.com。 其他滤波器的设计工具，包括 MATLAB，可以 用来设计滤波器和计算系数。 www.Microcontrol.cn 微控设计网 Page 6 of 11 微控技术论坛: 基于MSP430FG439的心率和心电图监测仪 图 7 17阶高通滤波器及其频率响应 3.5 计算心率 心脏每分钟跳的次数用三次跳的平均值来计算。在 C主函数有两个变量，计数器和脉冲周期，准确地跟踪 时间表。 从 QRS分辨器的输出的每一个采样都和一系列的阈值进行比较来监测当前的心跳。在每个采样期 间， 脉冲周期都增加一。由于每个采样发生为 1/512秒，通过脉冲周期变量计算的数量很容易的绘制时间 表。128采样时间窗口用计数器作为去抖动时间。 每次检测到心跳，计数器复位并且打开用四个箭头的 LCD 图标来代表心跳。 如果检测没有 128个连续心跳的采样，在连续心跳之间的间隔被确认并且四个箭头的 LCD 图标被关闭。 脉冲周期通过三次连续的心跳来累加。 在第三次心跳的时候， 脉冲周期用来计算每分钟心脏的速率并且 复位。 每分周的心跳速率 = 1/[脉冲周期/( 3*512*60)] = 92160/脉冲周期 4. 软件 软件是基于 IAR编译的 C语言，这个软件可以在 MSP430的主页上免费下载。这个应用是一个压缩文件和应 用报告的下载。 CPU运行在 2.097152 MHz使用 FLL得到 MCLK来源。整个 EKG程序，包括 FIR滤波器，QRS检测，心率的 计算，用大约 1 MIPS的 CPU带宽.软件用汇编语言写的专门的 16*16位的有符号的乘法规则比单纯的 C语言 数学乘法函数相比更能很快的执行 FIR 滤波器的计算。该韩式在 C 程序的主函数中调用语法为：long mul16(register int x,register int y). 在压缩文件中提供的 C文件（"Heart rate.c", "Heart rate with DAC output.c", and "Heart rate with EKG Demo.c"），这些文件名称表示了各自的功能。每一个功能项目必须都包括 C源文件和适当汇编配置文件 mul.s43。整个 EKG 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 所用的寄存器为，1168个字节的代码段寄存器，225个字节的数字寄存器和 64个字 节的常数寄存器。IAR编译器只允许 4K字节免费 C代码编译。 5.应用测试 两个方形的垫，分别位于 PCB的顶层和底层,在 LCD的一侧作为左右手的接触电极。在使用时，必须装上 www.Microcontrol.cn 微控设计网 Page 7 of 11 微控技术论坛: 基于MSP430FG439的心率和心电图监测仪 PWR的电源跳线，通过两手的食指和中指放在方形垫上来拿起板子。注意不要接触 PCB板子的其他电子区域。 一个好的方法就是拿住板子的边缘。为了得到好的信号质量，在手指和方形垫之间的接触电阻的阻值要小。 对于干性皮肤的用户可以在手指上涂一点润肤霜。图 8是运行中的 EKG板子的图片 图 8 运行中的 EKG板 5.1 EKG在 PC机上的显示 当运行“Heart rate with EKG Demo.c”程序时，在 PC机和 EKG板之间要有 RS-232转换器。因为串行 通讯没有用到握手，仅需要 TX线 P2.4/UTXD0。往 PC机上串行通讯的波特率为 115.2kbps 为了显示 EKG，PC机必须通过 Windows选择命令行运行 scope.exe. scope.exe是打开 PC机应用程序的开放源码。为了方便，这个应用程序在 oscilloscope.zip中和应用报告 一起提供的源文件下。 图 9显示的是 PC机应用程序下的 EKG显示的屏幕截图。 www.Microcontrol.cn 微控设计网 Page 8 of 11 微控技术论坛: 基于MSP430FG439的心率和心电图监测仪 图 9 PC范围内的 EKG显示 www.Microcontrol.cn 微控设计网 Page 9 of 11 微控技术论坛: 基于MSP430FG439的心率和心电图监测仪 图 10 原理图 6.参考 ●MSP430x4xx用户指南（SLAU056） ●MSP430FG439的数据手册（SLAS380） ●INA321低功耗的 CMOS仪用放大器数据手册（SBOS168） ●数字滤波器的设计 www.iowegian.com ●Burton R. Klein的医学电子的介绍 www.Microcontrol.cn 微控设计网 Page 10 of 11 微控技术论坛: 基于MSP430FG439的心率和心电图监测仪 1. www.Microcontrol.cn 微控设计网 Page 11 of 11 微控技术论坛: 基于MSP430FG439的心率和心电图监测仪