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(二)心电信号的检测及采集
家用心电图机所需检测的心电信号幅值在0.05~4 mV,频率在0.05~72Hz。而检测中存在的主要干扰信号有电极板与人之间的极化电压、50Hz工频干扰、仪器内部噪声和仪器周围电场磁场电磁场的干扰等等。心电信号中50Hz工频干扰可以利用自适应模板法消除,则心电图机模拟部分可以采用如图2所示的硬件结构。心电信号经电极或导联线采集后,先要进行电压放大。电压放大器一般由两级组成,前级采用负反馈差动放大电路。系统中,采用TI公司的基于双运放电路的微功耗仪表放大器INA321芯片作为心电信号的前级放大器,放大倍数为10倍。由于72Hz以上的干扰信号较强而0.05Hz以下的干扰信号相对较弱,所以在滤波电路中,采取先低通滤波取出72Hz以下的信号,然后接高通的方式,这样就能滤除极化电压信号得到心电信号。由于在前面的滤波电路中采用了RC高通滤波电路,该电
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图2 系统模拟电路框图
(三)单片机系统--MSP430 F135
基于功能、价格、功耗以及家用心电图机设计的实际需要等几个方面的考虑,本系统选用具有12位ADC的超低功耗微处理器MSP430 F135作为系统的控制,它是TI公司2000年底新推出的超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机。它具有丰富的片内外围,是一款性价比极高的单片机。利用它作心电信号的采集与处理,不仅极大地简化了系统硬件电路,还大大提高了系统的性价比。MSP430 F135的结构原理如图3所示。
由结构原理图可知,MSP430 F135包含了16KB Flash和512B RAM,还带有以下几种外设:基本时钟系统(片内DCO和两个晶体振荡器)、看门狗定时器/通用目的定时器、带3个捕获/比较寄存器3和PWM输出的16位定时器Timer_A、带3个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器Timer_B3、I/O端口1~6(每一个有8个I/O,其中端口1和2均具有中断功能)、比较器_A、12位A/D转换器ADC12、通用串行同步/异步接口USART0。
MSP430 F135包含了一个具有八个外部通道的12位高性能A/D转换器、一个具有自动扫描功能的容量为16个字的可编程缓冲器、片内参考电压、一个温度传感器以及电池低压时的检测电路,A/D转换器的速度可高达200KHz。利用芯片内置的自动扫描功能,A/D转换器可以不需要中央处理器的协助而独立工作,并且将转换后的数据自动存入缓冲区。这样,中央处理器的工作负担就大为减轻。换言之,可以让处理器去执行其它的数字信号运算或进入省电工作模式。除此之外,内置的参考电压以及温度传感器可以减少外部器件数目并且降低系统的整体成本。心电信号经过200倍放大之后经端口6进入该A/D转换器进行模数转换,转换的结果自动存放在相应通道的寄存器中,然后再送到外部心电信号存储器中。 由于内置了功耗极低的快速闪存,MSP430 F135在待机模式下所消耗的电能还少于电池未使用时的自然损耗。除此之外,它可在6ms之内从待机模式立刻转回到完全工作模式,因为在启动过程中器件不会浪费任何时间,从而可延长电池的寿命。在正常的工作状态下,如果工作电压为2.2V,器件每个MIP所消耗的电流只有250μA。
MSP430 F135有片内Flash ROM,给用户的开发调试带来极大的方便。目前的开发环境大都采用IAR公司的WINDOWS WORKBENCH软件,与之配套的有TI公司提供的开发套件MSP-FET430P140,可实现的功能为程序的、更新
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1)活动方式(AM):CPU和不同组合的外围模块被激活,处于活动状态;
2)低功耗方式0(LPM0):CPU停止工作,外围模块继续工作,ACLK和SMCLK有效,MCLK的环路控制有效;
3)低功耗方式1(LPM1):CPU停止工作,外围模块继续工作,ACLK和SMCLK有效,MCLK的环路控制无效;
4)低功耗方式2(LPM2):CPU停止工作,外围模块继续工作,ACLK有效,SMCLK和MCLK环路控制无效;
5)低功耗方式3(LPM3):CPU停止工作,外围模块继续工作,ACLK有效,SMCLK和MCLK环路控制无效并且数字控制振荡器DCO的DC发生器被关闭;
6)低功耗方式4(LPM4):CPU停止工作,外围模块继续工作(如果提供外部时钟),ACLK信号被禁止,晶体振荡器停止工作,SMCLK和MCLK环路控制无效并且数字控制振荡器DCO的DC发生器被关闭。
由上可知,MSP430 F135的超低功耗性能的实现主要与它对时钟的产生与控制密切相关。在超低功耗的设计中CPU的大部分时间都处于休眠状态。MSP430 F135有5种低功耗模式,在主程序中CPU完成了相应的设置或任务之后就让CPU进入适当的低功耗模式。CPU所需完成的大部分工作都在中断服务程序中完成,由相应的中断唤醒CPU完成中断服务,执行完成之后再进入低功耗模式。从而可以通过软件对内部时钟系统的不同设置来控制芯片,使它处于不同工作方式。整个时钟系统提供丰富的软硬件组合形式以达到的功耗并发挥的系统性能。
(四)外部心电数据存储器--1兆位3V供电的闪速可编程可电擦除的16位存储器AT29LV1024
AT29LV1024是一种3V系统供电的闪速可编程可电擦除的16位存储器(PEROM),具有1M位的存储空间,1M位的存储空间分成512个分区,每一分区128个字。该芯片采用ATMEL公司先进的非易失性的COMS工艺制造,在使用温度范围内存取时间为150ns,此时功率消耗仅为54mW。当AT29LV1024处于休眠状态时,CMOS的维持电流不超过50μA。AT29LV1024的每一分区可擦写超过10,000次。
AT29LV1024具有掉电保护功能,方便的在线编程能力不需高的输入电压,指令系统在3V电压下即可控制AT29LV1024。从AT29LV1024中读取数据与EPROM的操作相似,再编程能力是以每一分区为单位的,128字的数据装入AT29LV1024的同时完成编程。在一个再编程周期里,存储单元的寻址和128字的数据通过内部锁存可释放地址和数据总线,这样可为其他操作提供地址和数据总线。编程周期开始AT29LV1024会自动擦除分区的内容,然后对锁存的数据在定时器的作用下进行编程。编程周期的结束是通过查询I/O7或者I/O15的 有效时实现的,一旦编程周期结束,就可开始一个新的读或编程操作。AT29LV1024的工作原理如图4所示。
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AT29LV1024在系统中的应用使用户不仅能快速地实现所需功能,而且电擦除的方式为程序和数据的存储和更新提供了方便,特别是其掉电保护的功能可以在意外掉电或关闭电源的情况下保存数据,确保了存储的可靠性并减少了耗电,是以往采用RAM所不具有的功能,对于心电数据的存储有很大的方便,例如从人体所采样的A/D值可随时存储在AT29LV1024中,以便回放、打印、传输时调用。
(五)液晶显示系统--LMS0912A液晶显示模块
LMS0192A液晶模块是一种小型的液晶系统,它的外观尺寸为79×42mm,44个引脚。160×64点阵显示,点大小为0.30×0.34(mm),点间距0.34×0.38(mm)。内部拥有大规模集成并带有驱动器和控制器,它直接受单片机控制,接收8位的串行或并行显示数据的同时可将数据显示,并将数据存储在片内的数据存储器中(DDRAM)。DDRAM中的数据显示单元与液晶屏的点阵单元存在一一对应关系,并且LMS0192A液晶模块数据的读写操作不受外部时钟的控制,因而LMS0192A的显示具有很高的灵活性。LMS0192A液晶模块带有液晶必须的电源驱动电路,这样可用少的元件和的功耗实现模块的功能。
在微型家用心电图机中采用LMS-0192A液晶显示模块作为菜单和心电波形的显示。它以MSP430作为液晶的微处理器,通过单片机采集和处理心电数据,输出给液晶显示。
1、接口方式:
MSP430与LMS-0192A的接口如图5所示。
2、汉字菜单的显示:
菜单主要是由汉字组成,可通过汉字字库将每个汉字转换为16×16点阵共32个16进制的数据送液晶显示。每个汉字的数据分别对应一个数据表,程序可通过查表的方式显示汉字。
3、心电波形显示:
心电波形是一系列的曲线,在液
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(六)心电信号的电话传输--脉宽调制法
在家用心电图机中,设有脉宽调制电话传输这一功能。这里采用了脉宽调制的基本原理,并且根据实际需要提出了一种改进的脉宽调制方法,使脉宽调制和解调的硬件和软件方法简单,信号解调后失真小,可以实现快速的电话传输。其主要原理如图6所示。用户在家中或任何有电话的地方都可将存储在家用心电图机中的心电信号驱动扬声器经声音耦合后通过电话网络发送到医院。医院的接收系统经过放大、滤波,利用比较器产生脉冲波形,此波形进入单片机后通过程序计算出每一个脉冲所代表的采样值,此后单片机将获得的采样值利用串口通讯发送到计算机中,计算机经VC++程序处理再现心电波形。
1.发送部分
MSP430 F135将心电的12位A/D采样值存储在外部数据存储器中,当需要进行电话发送时从外部RAM中取出,并且取低10位用来控制定时器产生宽度随采样值变化的脉冲,这一脉冲就可认为是经过采样调制过的脉冲信号(图7,其中τ1为个采样值对应的脉冲宽度,T1为个采样值的脉冲周期,同理τ2为第二个采样值对应的脉冲宽度,T2为第二个采样值的脉冲周期),这样的脉冲驱动扬声器通过电话网络发送到医院。电话传输信号的频率范围为300-1300Hz,300Hz的采样值对应时间τ应为1.667ms=1667μs,对应定时器的定时值τ'=0682H,定时器TH0TL0=F97DH(定时器0加计数),1300Hz则对应定时器的定时值τ'=0180H,定时器TH0TL0=FE7FH(定时器0加计数)。因而所有采样值的定时值0180H<τ'<0682H,由于采样值可能为零,所以在采样值的基础上加上0200H(>0I80H)的基值,这样采用10位采样值,为03FFH,为0000H,加上基值后的0200h≤τ' ≤05FFH在τ'的允许范围之内,因而可以准确无失真的传输。
2.接收部分
微型家用心电图机配有接收系统,扬声器BEEP接收到信号之后由双运放TL062构成低通滤波器,截止频率f=1/2ΠC1R2=1300Hz,并且放大倍数为3.3×106/100×103=33,TL062的第二级构成比较器,使输入的信号经比较器后成为宽度变化的脉冲方波,每一个变化的脉冲宽度代表了一个接收到的心电信号采样值,此脉冲波进入单片机后通过计算恢复出心电采样值。
(七)菜单界面及键盘接口
在家用心电图机中,提供四个按键供用户操作,对应于液晶显示器上相关菜单。菜单包括:欢迎菜单、主菜单、次级菜单等三个层次,均由液晶显示提供。每菜单提供给用户简单的提示方便用户使用,因而用户只需在菜单的提示下按一键(有A、B、C、D四个键)便可完成所需要的操作。例如:主菜单显示如图9所示:
本机采用的是独立式按键,直接用I/O口线构成单个按键电路。每个按键单独占有一根I/O口线,且其工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。由于MSP430 F135的端口1、2均具有中断功能,所以可以采用了中断方式的独立式按键电路,电路
参考文献
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2.Teaxs Instrument, Inc.,MSP430 F13X/14X Data's Manual,2001
3.Teaxs Instrument, Inc.,MSP430 WINODWS WORKBENCH 接口指南,2001
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5.李素芬、李刚,电话传输心电信号的数字脉宽调制法,电子测量与仪器学报2002年增刊,1457~1460
6.Topway,Inc.,LMS0192A液晶模块使用指南,2002
7.蔡建新,张唯真编着,生物医学电子学,北京大学出版社 1997
8.王保华主编,生物医学电子学,高等教育出版社,1998
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10.生物医学工程手册 (美)J.克兰(Kline,Jacob)编着 徐振耀等译,天津科技翻译出版,1993
11. MSP430 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MSP430_490166.html.
12. INA321 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/INA321_510078.html.
13. MSP430F135 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MSP430F135_867259.html.
14. 150ns datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/150ns_2106923.html.
15. EPROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EPROM_1128137.html.
16. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
17. TL062 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TL062_888602.html.
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