基于MSP430F169的人体心率检测系统的设计

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单晶硅锭

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查看: 78回复: 3 发表于 2020-1-14 08:53:11   只看该作者
本帖最后由 secret 于 2020-1-14 09:07 编辑

[摘要]
介绍了一套基于MSP430F169 的人体心率检测系统,给出了系统软硬件设计方法。完成对人体心电波形的实时检测,存储和回放功能,实现心率的实时计算与显示。系统具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低温漂和高信噪比等优点,且成本低、体积小、耗电少、携带方便。

关键词: MSP430F169 心率实时检测显示存储

1系统简介
随着生活水平的提高,健康监护越来越被人们所重视,为适应家庭等环境下的便利监护的需求,我们设计了这种便携式心电检测系统。通过对人体心电波形信号的实时采集与调理,利用MSP430F169"对心电波形信号进行处理,计算出人体心率,并通过LCD显示动态心电波形与实时心率,同时将心电波形信号存储于 SD卡中,实现了心电波形信号的存储与回放。

2方案设计
2.1系统分析
该人体心率检测系统分为三部分。第一部分为心电信号采集调理。对由电极采集到的心电信号,先通过前置放大电路,将微弱的心电信号放大,再通过低高通滤波及50Hz陷波电路,最后将信号送入MSP430F169进行A/D转换。第二部分为心电信号处理显示,主要是利用MSP430F169单片机和液晶显示器来完成。通过C语言编程,进一步处理心电信号,并将其显示出来。同时,通过SD卡存储所显示的信号以及相关的心电信息。第三部分为电源电路,为系统各器件供电。

2.2设计方案论证
本系统的前置放大的仪表放大器采用 AD620。后置放大电路中选用TI公司的INA217,不仅简化了后置电路的设计,还提高系统精度。

系统需要多个电源供电,放大器需要±5V 的电压,MSP430F169、电压基准、LCD需要+3.3V的电压,电平抬升、A/D需要2.5V的电压基准。故采用 ICL7660为系统提供负电压,再通过线性稳压器MAX8511为系统提供+3.3V电压,提高了系统的稳    定可靠性。利用TI公司的REF3025作为单片机的外部电压基准,外部基准提供的电压精度较高,使在该电压下的器件正常稳定的运行,保证了信号的稳定的外部环境,而且设计也较为简便。主控制器选择TI公司的MSP430F 169。

3系统实现
3.1硬件设计
硬件设计是本设计的重要部分,完成对心电信号的采集调理。

3.1.1系统框图

01.jpg

经过方案的比较与论证,最终确定的系统组成框图如图1所示,其中信号采集电路包括了前置放大,去基线漂移,低通电路,高通电路,陷波电路和后置放大电路;电源部分由电压基准和线形调节器组成,最后数据通过AD转换,进入单片机MSP430F169,经过SD卡的储存,由显示器LCD显示和回放。

后置放大电路中采用的仪表放大器为TI公司的INA217,该仪器具有低噪声、低失真以及良好的动态响应特性。由于经过前两级放大的心电信号是双极性的,所以还必须把双极性信号的基准电平抬高至MSP430模数转换区间的中点上。因此在后置放大过程中还要抬升电平。采用TI公司的REF3025提供+2.5V电压,因为它具有体积小、低功耗、高精度以及高输出电流等优点。单片机选用TI公司的MSP430F169,该单片机具有低功耗,强大的数据处理和运算能力,丰富的外围模块,稳定的系统工作状态和方便有效的开发环境等优点。

3.1. 2单元电路设计
(1)前置放大调理电路的设计
前置放大调理电路由前置放大、右腿驱动、屏蔽驱动电路组成。电路框图如图2所示。

01.jpg

1)前置放大调理
针对心电信号高增益,高输入阻抗,高共模抑制比,低噪声,低漂移和合适带宽的采集要求2,采用仪表放大器,以获得良好的综合性能。所以采用仪用放大器AD620只要用一只外接电阻便可设置放大器的增益,增益G为:

01.jpg

2)右腿驱动电路将右腿连接到一个辅助的运算放大器的输出端,把混杂于原始心电信号中的共模噪声提取出来,经过一-级倒相放大后,再返回到人体,使它们相互叠加,从而减小人体共模干扰的绝对值,提高信噪比。本电路采用高精度运算放大器0P2177。通过这个负反馈结构,可大大抑制测量过程中前置放大器输入端共模电压的影响。此外,右腿驱动电路还可以提供电气上的安全性。

3)屏蔽驱动电路屏蔽驱动器是一个同相电压跟随器,将放大器的输出端和屏蔽相连,将屏蔽线和地隔开,并且对于50Hz的共模干扰信号来说,从人体输入的两路信号是相等的,导联线和屏蔽线之间的电压差为0,从而消除了其间的电容,提高了输入电路的阻抗,降低人与地之间的漏电流。如图3所示。

01.jpg

经过前置放大器后心电信号被放大的倍数为

01.jpg

(2)高通滤波电路的设计
电极与皮肤表面之间容易产生直流偏压,为了消除这部分的干扰,需要采取高通滤波电路图4所示予以滤除,其截止频率为_

01.jpg

(3)低通滤波电路的设计
噪声来源一类是各种电子设备辐射出的高频噪声,一类是市电的50Hz噪声。通常情况下后者影响尤为明显。对这些噪声的滤波需要用到滤波器。低通滤波器(电路图如图5)通常情况下截止频率选择在 100Hz 以下。低通截止频率为:

01.jpg

(4) 50Hz陷波电路的设计
为了去除人体或测试系统中产生的工频50Hz 干扰I3I4],需用带阻滤波器加以抑制。我们采用心电测量设备当前普遍采用的双Т陷波电路滤除工频干扰,其参数计R=算公式为:
01.jpg 其中fo为滤去频率,如图6所示。

01.jpg

(5)后置放大电路及抬升电路的设计
因为MSP430F169模数转换器的范围为 0~2.5V,所以要对采集的心电信号进行抬升如此在实现后置放大的过程中,既要考虑信号电平的提升,又要实现信号的放大。放大器芯片用INA217。具体电路如图7所示:

01.jpg

放大倍数为:

01.jpg

抬升电路有对放大信号抬升了1.25V.

(6)电源电路的设计
电源电路的设计是由电平转换器7660,线性调节器MAX8511,电压基准REF3025及电池盒组成,如图8所示_

01.jpg

    3.1. 3元件的布局和PCB板的设计
在PCB板中,包含多种类型的电路,为了避免各部分电路中信号相互耦合而产生干扰,对不同类型的电路部分进行分离布局是PCB板设计的一个基本原则。各部分之间不仅应保持相当距离,还要分开走线。电源系统的布线包括电源线VDD和地线VSS的布线,是系统抗干扰的一个重要部分。VDD和VSS应尽可能扩大面积,以防止因电磁能量较强而产生电磁干扰能量的发射,这也是保证高频信号到地之间具有低阻抗的措施。

3.2软件设计
软件设计的关键是对MSP430F 169的控制以及LCD显示。所有软件均采用C语言编写。软件实现的功能是QRS波检测并算出心率,LCD 显示波形以及SD卡存储。

3.2.1软件流程
系统软件部分流程图9如下所示,开关按键按下后,屏幕显示LOGO图(江苏省TI杯电子设计大赛),通过对各模块的初始化后,由中断定时服务实现对心电信号QRS波检测,心率计算,波形回放。

01.jpg

3.2.2 MSP430F169
MSP430单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗设计理念,其时钟系统提供了丰富的软硬件组合形式。它包括一个片内DCO和两个晶体振荡器,可以产生三种系统适用的时钟信号,支持六种工作方式,有五种低功耗模式,可以通过软件对内部时钟系统进行不同设置来控制芯片,使它处于不同工作方式,从而使整个系统达到最低的功耗并发挥最优的性能,所以该单片机非常符合设计要求。利用芯片内置的自动扫描功能,ADC 可以不需要中央处理器的协助而独立地工作,从而让处理器去执行其它操作或进入省电工作模式。当CPU接收心电信号的指令时,启动ADC,经端口6进入ADC进行模/数转换,转换的结果被自动存放在相应通道的寄存器中,进行液晶显示。

MSP430 单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

首先,MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时,芯片的电流会在200"400uA 左右,时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。

其次,独特的时钟系统设计。在MSP430 系列中有两个不同的系统时钟系统:基本时钟系统和锁频环(FLL 和PLL+)时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。使用两个晶体振荡器,由系统时钟系绕产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下,打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制。

3.2.3 QRS波检测程序
系统由级联的低通和高通滤波器构成的。这种滤波器能分离中心频率在 10HZ处的QRS成分,削弱了具有低频特征的基线漂移,同时也削弱了与干扰有关的高频分量。下一步处理就是进行微分,这是一个找出高斜率的标准方法,而高斜率通常能将QRS复波与其他的ECG波形区分开来。将信号采样点进行取绝对值运算。使数据在后续微分前为正值,同时增强了微分处理后信号中的高频分量,这些高频分量通常就是QRS复波的特征。

本系统的QRS波群检测采用移动窗口积分算法来实现,波形检测及分析系统流程图如图10所示

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3.2.4 LCD显示程序
HG19264是一款图形液晶显示模块。为了保证显示的及时性与连续性,同时不能超出单片机速度限制和程序容量限制,波形曲线的画法采用逐点画直线的方式实现,即相邻两点之间采用画一条直线,虽然波形稍有失真,但可以保证速度。对显示曲线的线宽、线形等也不予设置以节省 CPU的计算量。生成直线的算法中,又有逐点比较法和数值微分法等,而各种算法的计算量又与具体显示设备和显示数据有关系。本系统采用了 192X64点阵的显示器,屏幕比较小:同时由于数据在X轴方向的增长是一种固定关系,直线的长度最大为64点(Y轴方向),且只存在从左下到右上和从左上到右下两种情况。经过理论分析与试验验证,我们采用了改进的数值微分算法,即直线每向下一步,按照要画直线的斜率计算下一点的位置,这样一步一步逼近直线。X方向主动递增时的公式:y-y;其中:dy/dx为要画直线的斜率:xi为X方向增量:yi为Y方向坐标点。所有值采用整数运算,以达到节省计算量的目的,缺点是图形失真度较大。流程图(如图11)如下_

01.jpg

3.2.5 SD卡存储程序
采用SPI 接口,直接对文件进行读写,通过中断处理程序,即对QRS波的检测,每检测到一个R波,指示灯亮。然后计算心电心率,实现储存和回放功能。SD卡每次只存取一组心电信号。

4作品性能测试与分析
4.1静止状态下测定

01.jpg

说明:本系统存在國值时间,在16s后能较准确地反映人体心率,所以选择20s以后每隔10s为数据采集时刻;利用人工手测心率,在记均数时会产生一一定的偏差;测量时外界一-些干扰对人体心率的测定也会产生影响;通过将各时刻心率显示的数值求平均值,以减小误差。

4.2运动后测定

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说明:运动后心跳加快,心率明显增高,但随着测试时间的增加,心跳减慢,心率逐渐降低。

4.3结果分析
经过对静止状态和运动后状态下的测定的结果的分析,发现本系统能较好地测定人体心率,并且误差较小。

5总结与展望
本系统(实物图如图12)结构简单,性能稳定,由电池供电,便于随身携带,可在任何时间任何地点进行检测。还可以进一步提高软硬件的设计精度,克服运动过程中基线漂移的影响,实现对剧烈运动过程中的人体进行检测。随着电子信息技术及无线遥测技术的迅速发展,便携式无线生理参数测量设备的研制已经成为可能。然而,由于价格原因,目前还未得到普及。通过对人体心率检测系统的进一步研究,减少成本,便携式的无线信号采集系统装置必将有一天走出实验室,成为人们身边必不可少的健康工具。

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