低功耗便携式心电仪的设计

摘  要： 介绍了一种低功耗便携式心电仪的设计与实现。采用MSP430F169作为核心控制器，配有心电信号采集调理电路、液晶显示模块和数据存储模块等。该心电仪能够对心电进行实时采集处理、显示，而且可以将存储在SD卡内的数据通过USB接口在上位机上进行显示、分析，功耗低、方便携带，有较强的通用性。
关键词： 便携式；心电仪；MSP430F169
       心电图是心脏疾病诊断的重要工具之一，目前在医院临床中有广泛的应用，给医生诊断病症带来很大的帮助。传统的心电仪虽能有效地监测心电、降低心脏病患者的死亡率 ,但不能对患者进行长时间的实时监护，而且存在体积大、功耗高、携带不便等缺点。鉴于此，本文设计了一种结构简单、性能稳定、可靠的便携式心电仪，能够在家庭、野外等一些场所对心电进行实时监测，具有广泛的应用前景[1]。
1 系统硬件结构及原理
     低功耗便携式心电仪由MSP430F169、心电信号采集调理电路、液晶显示模块、数据存储模块、按键输入模块等组成，如图1所示。
   
       通过以标准导联方式I和人体相连的电极取得的心电信号，因为环境中存在各种干扰(人体自身的肌电干扰，外部的工频干扰等)，所以必须经过模拟放大电路的放大、滤波等调理之后才可进入MSP430F169单片机，利用单片机内部的A/D模块对模拟信号进行模数转换，然后存储数据，并在液晶屏上显示，观察者可以直观地看到心电信号波形和每分钟心跳的次数。系统采用SD卡来存储采集的数据，采集的心电信号数据可以长时间存储，这对于心电信号异常且有偶发性的病人具有重要价值。系统还可以通过串口把采集的心电信号实时传输到上位机，由上位机显示并进行实时分析。
1.1 微控制器
     微控制器采用TI公司的MSP430F169单片机，它是一款低功耗单片机，当所有器件均采用低功耗模式工作时，总功率不到1 W，RAM 数据保持方式下耗电仅 0.1 ?滋A，活动模式下耗电250 μA/MIPS，特别适合于便携式设备；片内集成有12 bit A/D转换模块，4种转换模式，转换速度最快达到200 Kb/s，足以满足心电采集的要求[2]。
1.2 心电信号调理电路
     心电信号调理电路是本系统的重要环节之一，主要由前置放大、高通滤波、50 Hz陷波、低通滤波和后级放大电路组成，如图2所示。因为体表ECG心电仪一般只有0.05 mV~5 mV，具有微弱和易受干扰等特点， 因此，采用高输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路进行前置放大，以增大输入阻抗、减少共模信号干扰；带通滤波电路主要由高通滤波器和低通滤波器组成，通频带为0.5 Hz~100 Hz，滤除心电频率范围以外的干扰信号；50 Hz 陷波处理器滤除工频干扰；后级放大器将ECG信号进一步放大100倍左右到合适范围，然后输出到核心控制器MSP430F169的A/D模块。
   
   1.3 数据存储模块
     本系统中使用SD卡存储采集的心电信号数据。SD卡是一种体积小、容量大、性价比高、访问接口简单的存储卡，具有低功耗、非易失性等特点，被大量应用于数码照相机、手机等便携式设备中。使用SD卡可将心电数据传送到功能更强大的PC机中进行进一步的分析处理，其接口电路如图3所示。其中，DAT0～DAT3为数据线，CMD为命令线，CLK为时钟线，为存储模块提供时钟，CD_SW用于控制SD卡的热插拨。