基于MSP430的动态心电图采集系统设计

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动态心电图是指连续记录24小时或更长时间的心电图，它已经成为临床上广泛应用的无创性心血管病诊断手段之一。尤其是常规心电图检查正常，但有心脏病症状或心率变化与症状不相符时，可以作为首选的无创检查方法。此方法为美国人Holter发明，所以又称为Holter。由于资金、技术等因素，Holter系统在我国并未得到普及，因此研制一种能够记录24小时全程心电图的低功耗、便携式心电图记录系统十分必要。

目前该类产品存在的主要问题在功耗和容量等方面[1]。市场上的动态心电记录系统普遍采用51系列或DSP，其功耗很大，不能满足24小时连续记录的要求。MSP430具有优势，它自带12位AD转换和液晶显示，在图1中虚线框中的模块都是MSP430自带的，其集成化程度高，更有利于实现低功耗和便携式。因此采用MSP430和SD卡的动态心电采集系统十分合适[2]。


1 系统的硬件结构和工作原理

1.1 MSP430 芯片介绍

美国德州仪器公司推出的MSP430系列超低功耗16位混合信号处理器，以16位RISC处理器、超低功耗、丰富的片内外设、JTAG仿真调试定义了新一代单片机的概念。本系统采用的MSP430FG4618是一款优秀的片上系统，它自带12位AD转换、3个可编程运放、12位DA同步转换器、160段LED驱动以及UART、SPI、I2C等丰富的外设接口，给系统设计提供了很大的方便。

1.2 系统整体流程介绍

系统整体框图如图1所示。系统硬件主要由三部分组成：模拟放大部分、MSP430主处理部分和SD卡存储部分。系统的工作流程为：由导联电极采集人体表面微弱的心电信号，经由仪表运放INA321初步放大，再通过50Hz陷波器滤除工频干扰；主运放采取MSP430内部的可编程运放，放大100倍，满足AD转换的电压要求；AD转换结果经过数字滤波消除一些高频干扰后，一方面直接将数据存入SD卡，另一方面通过设定阈值判断QRS波群的到来，由两次波群的采样间隔计算出心率，经由LCD显示。

系统中AD转换采用MSP430自带的12位AD，采样点数设定为500点/s，这样的采样速率有利于工频干扰的数字滤波；MSP430FG4618自带160段液晶驱动，最多可以带20位的数码显示；根据实际需要选用4位的数码显示；存储系统采用1GB的金士顿SD卡，完全满足数据量和存储速度的需要。

1.3 模拟部分电路

仪表运放采用TI公司的INA321，其默认放大倍数为5倍。因为人体皮肤接触电阻大、共模电压高等因素，前级运放放大倍数不能太大，否则容易引起饱和，因此设定其放大倍数为5。模拟部分电路如图2所示。其中点1接参考电压1.5V，能保证输出点3的参考电压也为1.5V。U2和INA321组成一个积分电路，可以消除由于采集过程中皮肤接触阻抗变换引起的基线漂移[2]。U3和R7、C4等电容网络组成了低通和陷波电路，其增益为500倍，能将微弱的信号放大到AD转换需要的1V电压。

模拟部分整体电路在Multisim10仿真图形波形中，可以看出此电路的性能完全符合后级AD转换要求。

1.4 心电信号的存储设备SD卡

24小时采集的心电信号数据量计算如下：采样率500点/s，每个点用8位表示，则数据量为24×3 600×500=43.2MB。这样大的数据量可以采用Flash或者移动存储卡的形式存储。考虑到SD卡能用读卡器直接读入PC机，所以将SD卡作为存储设备，具体采用金士顿1GB的SD卡作为存储设备，它在容量和功耗上完全满足设计需求。

2 系统软件设计和工作流程

AD转换后的数据须经过数字滤波消除高频干扰，再对数据分别进行心率计算和存储。由于MSP430自带硬件乘法器，因此可以在芯片内部实现简单整系数数字滤波，以提高心率计算的准确度。在存储时要满足FAT16文件系统要求，将FAT表、根目录、数据区等相应位置写入数值，以便PC机读取采集到的心电数据。其工作流程如图3所示。

SD卡的读写方式有SD方式和SPI方式，这里选择SPI方式。SD卡上的文件系统基本单位是扇区，格式化时由操作系统将每个扇区设置为512B，则采集时也要在MSP430内部设置一个512B的缓冲区，写满后一次性写入SD卡。由于采样间隔只有2ms，这就要求在2ms内能将一个扇区的数据写入卡内，不然就会造成数据的丢失。可以设置SPI总线的时钟频率在8MHz，则存储512B的数据需要0.5ms，满足实时性要求。

3 FAT文件系统原理

SD卡内部存储空间以扇区为单位，每扇区512B。在进行格式化时由操作系统决定了每簇含扇区的个数、保留扇区的个数、FAT表的位置和根目录的位置等信息。然后将这些信息写到SD卡的第一个扇区。

在卡上建立文件必须读取第一个扇区的内容，并由此计算出各个偏移地址。首先计算出FAT表的位置，并将第一页FAT表读入，并检查是否有空簇。若有则记录其偏移地址并写到根目录相应文件属性中；否则顺序读取下个FAT页面，继续查找直到最后一个FAT页。在根目录中每个文件占32B，内容包括文件名、扩展名、文件起始簇所在位置、文件隐藏归档等属性。

FAT文件系统的结构如图4所示。

因为心电数据是不断采集的，所以文件的大小也是不断增加的，这就是说在建立文件时不可能设定最终的文件大小，要求程序能不断申请新簇，然后相应修改文件大小。

4 上位机软件设计

将采集到的心电信号存储在SD卡上，通过读卡器读入PC机中。先进行预处理，经过低通滤波消除工频干扰、中值滤波消除基线漂移后的结果如图5所示。

从预处理后的波形可以看出，在采集过程中产生的基线漂移和50Hz工频干扰都被消除了，得到的波形完全能反映被测者的心电特征，满足后级处理的要求。

上位机软件同时还有QRS波群的识别功能。算法上采用基于导数的测量方法。首先对预处理后的波形进行一阶差分并图像增强，这样R波的特征会更加明显；然后对差分信号进行过零检测，可以判断出R波的位置；接下来在R波峰位置向前向后分别检测，即可找出Q、S波的起始位置。

大量实验结果显示，所采集到的ECG图像完整，能够满足临床诊断精度要求，从而说明采用MSP430和SD卡实现Holter采集系统的方案是可行的。同时，由于此算法的识别成功率较高，因此采用基于导数的QRS波群识别算法。实验结果说明，采用此算法完全可以满足后级处理要求。在后级处理中对各个波峰中间采样点数进行了统计分析，并计算出心电图中的各个时间参数，如P-Q、Q-R时间等参数，可以作为实际诊断的重要依据。

本文的创新点：(1)采用TI公司的超低功耗单片机MSP430和具有关闭模式的前端仪表放大器，使得两节干电池供电的24小时不间断采集成为可能。(2)用SD卡作为存储设备并用单片机实现了文件系统，能方便地将数据转存到PC机上，利于后端的数据处理和显示。