低功耗心率檢測儀設(shè)計(jì)

　　摘要：根據(jù)人體真實(shí)信號I導(dǎo)聯(lián)，以MSP430F5529 Launchpad系統(tǒng)板為核心，設(shè)計(jì)了一種便攜無線心電監(jiān)視儀。硬件上采用TI公司的高性能模擬器件，以提取微弱的QRS波形的同時(shí)，使功耗降到最低;軟件上實(shí)現(xiàn)了信號調(diào)制、信號處理，準(zhǔn)確計(jì)算心率;顯示上以安卓手機(jī)作為終端，靠藍(lán)牙進(jìn)行通訊。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的初步測量結(jié)果表明，在安靜狀態(tài)下，心電信號無失真、心率測量誤差在3%內(nèi)。

　　1 引言

　　心血管疾病是現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)中對人類生命威脅最大的疾病，因此日常的心臟監(jiān)護(hù)就成為保證病人生命安全的重要手段，通過日常監(jiān)護(hù)預(yù)先發(fā)現(xiàn)異常征兆，及時(shí)給予救治。同時(shí)，心電圖作為心臟電活動(dòng)在體表的綜合表現(xiàn)，是診斷心臟疾病、評價(jià)心臟功能的重要依據(jù)之一。

　　實(shí)時(shí)的心電監(jiān)護(hù)是十分有必要的。以準(zhǔn)確的檢測為前提，以便攜、低功耗為目的，我們需要使用盡可能小而且高性能的器件，設(shè)計(jì)出最小的高準(zhǔn)確度低功耗電路。并且通過藍(lán)牙模塊傳輸?shù)浆F(xiàn)在每個(gè)人都擁有并且使用時(shí)間相當(dāng)長的手機(jī)上進(jìn)行心電波形和心率的顯示，方便使用。

　　我們選擇使用TI提供的高性能超低功耗的MSP430F430 LaunchPad作為開發(fā)平臺(tái)，以及TI公司生產(chǎn)的高性能低功耗器件如OPA2333、INA333等進(jìn)行各放大、濾波模塊的構(gòu)建。在更為普及的Android平臺(tái)上編寫手機(jī)端程序，接收經(jīng)單片機(jī)采樣計(jì)算的數(shù)據(jù)，顯示波形及心率。需要解決的問題有50Hz工頻干擾，人體生理信號的低信噪比易失真的特性，功耗的控制，心率計(jì)算算法的選擇和手機(jī)端的實(shí)現(xiàn)。

　　2 系統(tǒng)方案

　　在便攜式的心率監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)的低功耗和穩(wěn)定性越高對病人越好。因此我們盡量精簡該系統(tǒng)的硬件和選擇低功耗的芯片，通過多次測試來確定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖1是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，處理核心是高性能的MSP430F5529。系統(tǒng)硬件主要由前端電路模塊，來采集人體的心電信號，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠛蜑V波處理提取微弱的心電信號;再通過MSP430內(nèi)部的AD采樣功能將模擬的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;無線傳輸模塊主要是無線發(fā)射模塊，采用了TI公司的CC2540，它通過標(biāo)準(zhǔn)的UART口與微控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信;顯示模塊由手機(jī)來完成;電源模塊采用TLV70030芯片，它可以固定輸出電壓3V，用于給單片機(jī)、無線模塊、前端電路供電。系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上分為主控程序、信號處理模塊、無線通信模塊。先將信號通過簡單的數(shù)字濾波處理，再分析信號的幅值周期等信息來計(jì)算心率;最后將心電信號和心率進(jìn)行發(fā)送和顯示。本文主要介紹完整的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 電源模塊

　　為了數(shù)字電路和單片機(jī)的供電，我們將電源設(shè)置為3V的單電源供電模式。選擇3V的同時(shí)也為了降低功耗。采用鋰電池供電，鋰電池的電壓范圍在3.7V-4.2V，為了獲得穩(wěn)定的3V電壓，我們選用TLV70030線性穩(wěn)壓器。經(jīng)過比較，TLV70030具有低壓降、低功耗、輸出噪音小的優(yōu)點(diǎn)。

　　系統(tǒng)采用單電源供電，無法放大負(fù)半軸的信號。為了使得模擬電路采集到的心電信號在調(diào)理過程中獲得最大的動(dòng)態(tài)范圍，需要設(shè)定Vcc/2 的半電位參考電平。通過簡單的電阻分壓后，通過電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，使得后級電路不會(huì)對參考電平產(chǎn)生影響。

　　3.2 放大模塊

　　心電信號幅值為10m V-5mV，其典型值為1mV，非常微弱，在處理時(shí)，若要求輸出電平達(dá)到1V左右，則放大倍數(shù)要做到1000倍左右。為抑制電路的零點(diǎn)漂移，提高共模抑制比，系統(tǒng)放大電路應(yīng)采用多級實(shí)現(xiàn)。為了抑制工頻干擾以及所測量的參數(shù)外的其他生理作用的干擾，須采用了差動(dòng)放大形式。要求放大器具有較高的共模抑制比。

　　我們選用了3級放大。第一級放大我們選擇的INA333儀表放大器具有超高輸入阻抗，極其良好的共模抑制比100dB，低輸入偏移，低輸出阻抗。經(jīng)計(jì)算放大倍數(shù):

　　二級放大和后級放大：經(jīng)過一級放大后信號幅值已經(jīng)足夠，可以進(jìn)行濾波處理;為了顯示波形美觀和AD采樣的準(zhǔn)確，將兩級放大放在最后。一方面，信號通過儀表放大后，存在基線漂移，需要通過高通濾波器才能繼續(xù)放大，防止信號的截止;另一方面，信號先濾波再進(jìn)行后級放大有利于濾波的效果。我們同樣選用性能優(yōu)秀的OPA2333來作為放大器件。以實(shí)現(xiàn)放大后信號無失真，低噪聲等需求。為了提高輸入阻抗，我們選用同向比例放大器。二級放大的放大倍數(shù)分別為：