便攜式低功耗心電信號采集系統(tǒng)方案

心電信號是一種由心肌收縮而產(chǎn)生，并可提供心臟生理功能變化信息的生物電信號，將測量電極放在身體的不同部位，把不同體表的電位差變化記錄下來，就得到了心電圖（Electro Cardio Gram，ECG）。由于易于檢測且直觀性較好，在臨床醫(yī)學(xué)中得到較為廣泛的應(yīng)用）。然而傳統(tǒng)心電信號采集設(shè)備體積較大，不便于實時獲取心電信號。因此研究便攜式、低功耗的心電信號采集系統(tǒng)有重要意義。本文以低功耗模擬前端ADS1293為基礎(chǔ)，結(jié)合MSP430系列低功耗單片機(jī)設(shè)計了一種可用于超低功耗和微型化的心電信號采集系統(tǒng)。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計

心電信號采集系統(tǒng)主要由信號采集前端ADS1293和MSP430單片機(jī)控制電路組成。工作原理如下：電極提取的人體心電信號，首先送入ADS 1293做適當(dāng)?shù)姆糯蠛筮M(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號。然后通過SPI接口送入MSP430單片機(jī)進(jìn)行分析和處理，最后通過單片機(jī)的USB接口送到便攜式顯示設(shè)備實時顯示波形。

圖1系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

1.1信號采集前端ADS1293

ADS1293是美國德州儀器公司（TI）用于生物電勢測量的3通道、24位集成模擬前端，它能夠針對特定的采樣率和帶寬對每個通道進(jìn)行設(shè)定，使用戶能夠針對性能和功耗來優(yōu)化配置。其還具有交直流斷線檢測（Lead_off Detect）、電池電量監(jiān)控和自我診斷報警等功能，內(nèi)置有ECG應(yīng)用所需的右腿驅(qū)動電路租Wilson/Goldberger終端。ADS1293內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部引腳的連接方式如圖2所示，從信號的流向可劃分為信號輸入接口、信號處理單元和信號輸出接口等部分。

圖2 ADS1293原理圖

（1）信號輸入接口。信號輸入引腳從IN1～I(xiàn)N6共有6個，全部輸入引腳都包含一個電磁干擾（EMI）過濾器以濾除射頻噪聲。系統(tǒng)采用5導(dǎo)聯(lián)連接方式，即右臂（RA）、左臂（LA）和左腿（LL）分別連接到IN1、IN2和IN3引腳；共模探測器（CM detect）取得RA、LA和LL的平均電壓用作右腿驅(qū)動（RLD）放大器的輸入，右腿驅(qū)動放大器的輸出再返回到右腿（RL）端，一起從IN4引腳輸入。右腿驅(qū)動電路的作用是控制病人的共模水平，提升系統(tǒng)的交流抑制比；威爾遜網(wǎng)絡(luò)（WCT）的輸出連接到IN6引腳，與連接到IN5引腳的V1（胸電極）一起作為CH3通道的差分信號輸入。

（2）信號處理單元。主要由儀用放大器（INA）、∑△調(diào)節(jié)器（SDM）和低通數(shù)字濾波器（Digital Filter）3部分組成，主要作用是將差分模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。儀用放大器是一個具有高輸入阻抗的運算放大電路，主要有兩個作用：1）對差分信號起一定的放大作用。2）提供高輸入阻抗，以便從ECG電極獲取更大的輸入信號。儀用放大器的輸出信號送入∑△調(diào)制器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，∑△調(diào)制器是基于過采樣的一位編碼技術(shù)，輸出反映了輸入信號幅度的一位編碼數(shù)據(jù)流。低通數(shù)字濾波器由3個可編程的5階sin型濾波器組成，∑△調(diào)制器的輸出由低通數(shù)字濾波器處理后，即可得到N位編碼輸出。

（3）信號輸出接口。主要包括4線SPI串行接口、DRDYB引腳和ALRAM引腳。各引腳的功能如下：SCLK為串行時鐘輸入引腳；SDI為串行數(shù)據(jù)輸入引腳，共16位，其中，1位讀寫控制，7位地址和8位數(shù)據(jù)。在時鐘上升沿期間，所有數(shù)據(jù)被采樣和在第16個時鐘上升沿時被寫入寄存器中。SDO為串行數(shù)據(jù)輸出引腳，在8～15個時鐘下降沿，SDO引腳讀數(shù)據(jù)。CSB為片選引腳，低電平有效，在低電平期間SPI接口開始讀寫數(shù)據(jù)，低電平維持16個時鐘周期；DRDYB為模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束引腳，表示芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好可以讀取，低電平有效，通常可用作CPU的中斷信號或狀態(tài)查詢信號；ALARMB為報警引腳，ADS1293有一個自我診斷報警系統(tǒng)，用于診斷在ECG應(yīng)用中可能發(fā)生的異常情況，這些異常情況主要包括電極脫落、同步錯誤、低電警告和3個通道工作異常等，一旦有異常情況發(fā)生就報告給錯誤標(biāo)志，并在ARLAM引腳上顯示。

1.2 MSP430單片機(jī)控制電路

選用TI公司的超低功耗單片機(jī)MSP430F5529作為主控制器，其具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，各個模塊運行完全獨立，包括定時器、輸入/輸出端口、看門狗和UART等均可在主CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行。在所有模塊都處于活動狀態(tài)時，電流的典型值為290μA/MHz.在待機(jī)模式下，電流的典型值僅為0.18μA，從待機(jī)到喚醒的響應(yīng)時間為3.5μs.MSP430F5529含有2個通用串行通信接口（USCI）模塊，支持多種通信模式，如UART、IrDA、I2C、SPI和USB.在系統(tǒng)中，MSP430F5529利用SPI接口對ADS1293進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的傳輸，其中，MSP430F5529工作于主模式下，ADS1293工作于從模式下。通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖銛y式顯示設(shè)備或計算機(jī)，圖3給出了MSP430F5529的接口電路。

圖3 MSP430單片機(jī)接口電路

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括：（1）對ADS1293進(jìn)行控制，完成心電信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過SPI接口讀取數(shù)據(jù)。（2）通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示設(shè)備實時顯示，程序流程如圖4所示。

圖4程序流程圖

首先，對單片機(jī)進(jìn)行初始化，配置與ADS1293通信的SPI接口和與顯示設(shè)備相連的USB接口。再通過設(shè)置相關(guān)的寄存器來實現(xiàn)對ADS1293的初始化，包括儀用放大器和∑△調(diào)節(jié)器的工作頻率設(shè)定、可編程濾波器的參數(shù)設(shè)置以及各報警寄存器的設(shè)置等。然后啟動ADS1293，通過查詢DRDYB引腳的狀態(tài)來判斷ADS1293模/數(shù)轉(zhuǎn)換是否完成和數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，若未準(zhǔn)備好，繼續(xù)查詢。否則，產(chǎn)生一個中斷給單片機(jī)MSP430F5529再通過SPI接口讀取ADS1293寄存器中的數(shù)據(jù)，通過USB接口發(fā)送給顯示設(shè)備。

3結(jié)束語

本文提出了一種低功耗、便攜式心電信號采集系統(tǒng)的設(shè)計方法。系統(tǒng)采用低功耗模擬前端芯片ADS1293來替代傳統(tǒng)的分立式前端電路，利用ADS1293內(nèi)部集成的右腿驅(qū)動電路、威爾遜終端、電極脫落檢測等ECG應(yīng)用所需要的模塊簡化了前端電路，與分立式方案相比，可將組件數(shù)量降低90%以上。ADS1293單個通道功耗僅為0.3 mW，且具有靈活的斷電和待機(jī)模式，可延長便攜式設(shè)備的電池使用壽命。綜上所述，系統(tǒng)具有功耗低、體積小等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。