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一、概述 心血管疾病是一種較為普遍的疾病，隨著生活節奏的加快，生活水平和健康意識的提高，人們需要隨時對心臟進行健康監護并且能在比較危急的情況下進行及時的診治；同時，如果長期住在醫院里面進行監護和治療，那樣花費高而且也給醫院帶來了不小的門診壓力。心電圖機是診斷心臟病的重要儀器之一，目前市場上有多種心電圖機，但是這些心電圖機都不太適合在家庭中使用。為此，一種能夠在家庭中應用、操作簡單、價格便宜的低功耗家用電圖機的設計方案應運而生。 總所周知，隨著科學技術的推進、人類社會的發展進步，全球醫療儀器的發展也是日新月異。21世紀的醫療行業主要呈現以下兩個特點：第一、未來的醫療世界，主要的代表產品是納米機械元件、隨身佩戴式化學感測器、居家保健應用醫療器材等。第二、信息與醫療技術緊密地結合在一起。家用心電圖機的設計正是順應這兩個大趨勢。另外，從這次SARS病毒爆發來看，可以預計，它將會推動居家保健應用醫療器材的發展。因此，家用心電圖機在國內外都是一種新型產品，具有極大的市場發展潛力。 二、功能與基本原理 （一）總體設計 為了實現心臟的"健康監護"和"家庭門診"，該家用心電圖機具有以下基本功能：
考慮到用戶實際使用的需要，家用心電圖機還必須滿足以下的特點：
該家用心電圖機采用的是干電池供電，而干電池供電需要解決的一個基本矛盾是：低功耗要求系統采用比較低的時鐘頻率而與此同時要求系統對一些基本的操作能夠快速反應和啟動，這就要求系統最少具備兩種高低不同的頻率，必要時兩種頻率可以切換使用。正因為MSP430 F135具有豐富靈活的時鐘模塊，所以本系統選取它來作為控制核心，與此同時還選用了與之配套的低功耗外部存儲器AT29LV1024和液晶顯示模塊LMS0192A。 德州儀器公司所提供的MSP430為高整合、高精度的單芯片系統，是目前工業界中具有最低功耗的flash 16-bits RISC微控制器。MSP430 F135具有強大的處理功能和豐富的外圍模塊，可方便地實現心電信號的采集、處理、存儲、打印以及傳輸。另外，將其作為系統的控制核心，可以極大地簡化整個硬件電路和提高系統的性價比。 心電信號由電極或導聯線從人體采集，經放大、濾波處理后進入單片機進行A/D轉換，送液晶顯示。如需存儲則按下存儲鍵后心電數據就會存儲到外部存儲器中，而且在需要回放、打印、傳輸時，可以直接從外部存儲器中調出使用，進而實現各種功能。可以直接利用網絡或電話將家用心電圖機所監測的數據傳送到相關的醫療機構，經過診斷、處理之后由醫療機構反饋回來，因而方便和高效地實現了"家庭門診"和"健康監測"，既節省了用戶開支又相對減輕了醫院的門診壓力。本系統采用了圖1所示的電路結構。 （二）心電信號的檢測及采集 家用心電圖機所需檢測的心電信號幅值在0.05～4 mV，頻率在0.05～72Hz。而檢測中存在的主要干擾信號有電極板與人之間的極化電壓、50Hz工頻干擾、儀器內部噪聲和儀器周圍電場磁場電磁場的干擾等等。心電信號中50Hz工頻干擾可以利用自適應模板法消除，則心電圖機模擬部分可以采用如圖2所示的硬件結構。心電信號經電極或導聯線采集后，先要進行電壓放大。電壓放大器一般由兩級組成，前級采用負反饋差動放大電路。系統中，采用TI公司的基于雙運放電路的微功耗儀表放大器INA321芯片作為心電信號的前級放大器，放大倍數為10倍。由于72Hz以上的干擾信號較強而0.05Hz以下的干擾信號相對較弱，所以在濾波電路中，采取先低通濾波取出72Hz以下的信號，然后接高通的方式，這樣就能濾除極化電壓信號得到心電信號。由于在前面的濾波電路中采用了RC高通濾波電路，該電路具有較高的輸出阻抗，所以后級放大采用了同相放大電路，放大倍數為20倍。 心電信號的最高幅值為4mV，經過200倍的放大為0.8V，而A/DC的輸入范圍為0～2.5V，設計時取中間值1.25V為參考，所以放大后的心電信號疊加參考電壓1.25V后大小為(1.25±0.8)V，正好落在A/DC的模擬輸入信號范圍。同時，心電信號的頻率在0.05～72Hz之間，為了保證采樣定理的要求和保證轉換速率可以選取采樣率fs=200Hz。MSP430 F135自帶高速12位逐次逼近型ADC12，該ADC12具有內部參考電壓、采樣保持和自動掃描功能，有8個外通道4個內通道，高達200KHz的采樣速率，多種采樣方式，因而完全能夠滿足要求。 圖2 系統模擬電路框圖 （三）單片機系統--MSP430 F135 基于功能、價格、功耗以及家用心電圖機設計的實際需要等幾個方面的考慮，本系統選用具有12位ADC的超低功耗微處理器MSP430 F135作為系統的控制核心，它是TI公司2000年底新推出的超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機。它具有豐富的片內外圍，是一款性價比極高的單片機。利用它作心電信號的采集與處理，不僅極大地簡化了系統硬件電路，還大大提高了系統的性價比。MSP430 F135的結構原理如圖3所示。 由結構原理圖可知，MSP430 F135包含了16KB Flash和512B RAM，還帶有以下幾種外設：基本時鐘系統(片內DCO和兩個晶體振蕩器)、看門狗定時器/通用目的定時器、帶3個捕獲/比較寄存器3和PWM輸出的16位定時器Timer_A、帶3個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器Timer_B3、I/O端口1～6（每一個有8個I/O，其中端口1和2均具有中斷功能）、比較器_A、12位A/D轉換器ADC12、通用串行同步/異步接口USART0。 MSP430 F135包含了一個具有八個外部通道的12位高性能A/D轉換器、一個具有自動掃描功能的容量為16個字的可編程緩沖器、片內參考電壓、一個溫度傳感器以及電池低壓時的檢測電路，A/D轉換器的速度可高達200KHz。利用芯片內置的自動掃描功能，A/D轉換器可以不需要中央處理器的協助而獨立工作，并且將轉換后的數據自動存入緩沖區。這樣，中央處理器的工作負擔就大為減輕。換言之，可以讓處理器去執行其它的數字信號運算或進入省電工作模式。除此之外，內置的參考電壓以及溫度傳感器可以減少外部器件數目并且降低系統的整體成本。心電信號經過200倍放大之后經端口6進入該A/D轉換器進行模數轉換，轉換的結果自動存放在相應通道的寄存器中，然后再送到外部心電信號存儲器中。 由于內置了功耗極低的快速閃存，MSP430 F135在待機模式下所消耗的電能還少于電池未使用時的自然損耗。除此之外，它可在6ms之內從待機模式立刻轉回到完全工作模式，因為在啟動過程中器件不會浪費任何時間，從而可延長電池的壽命。在正常的工作狀態下，如果工作電壓為2.2V，器件每個MIP所消耗的電流只有250μA。 MSP430 F135有片內Flash ROM，給用戶的開發調試帶來極大的方便。目前的開發環境大都采用IAR公司的WINDOWS WORKBENCH軟件，與之配套的有TI公司提供的開發套件MSP-FET430P140，可實現的功能為程序的下載、更新、運行、調試。由PC環境下的JTAG控制實現FLASH的編程，由片內仿真邏輯控制的全速調試可設3個斷點。用戶在自己的目標板上引出JTAG引線到調試裝置便可實現程序的下載與調試。 MSP430F135的基本時鐘系統包括一個片內DCO和兩個晶體振蕩器，可以產生三種系統適用的時鐘信號：ACLK、MCLK和SMCLK。其中，主系統時鐘MCLK用于CPU和系統，輔助時鐘ACLK和子系統時鐘SMCLK用于外圍模塊。可以通過對不同模塊操作模式和CPU狀態的智能化管理，使得MSP430 F135的工作方式可以適應多種超低電壓和超低功耗的需求，即使在中斷處理期間也一樣，一個中斷事件可以把系統從各種低功耗方式喚醒并且通過RETI指令返回到中斷以前的工作狀態。下面是MSP430 F135芯片支持的六種工作方式： 1)活動方式(AM):CPU和不同組合的外圍模塊被激活，處于活動狀態； 2)低功耗方式0(LPM0):CPU停止工作，外圍模塊繼續工作，ACLK和SMCLK有效，MCLK的環路控制有效； 3)低功耗方式1(LPM1):CPU停止工作，外圍模塊繼續工作，ACLK和SMCLK有效，MCLK的環路控制無效； 4)低功耗方式2(LPM2):CPU停止工作，外圍模塊繼續工作，ACLK有效，SMCLK和MCLK環路控制無效； 5)低功耗方式3(LPM3):CPU停止工作，外圍模塊繼續工作，ACLK有效，SMCLK和MCLK環路控制無效并且數字控制振蕩器DCO的DC發生器被關閉； 6)低功耗方式4(LPM4):CPU停止工作，外圍模塊繼續工作(如果提供外部時鐘)，ACLK信號被禁止，晶體振蕩器停止工作,SMCLK和MCLK環路控制無效并且數字控制振蕩器DCO的DC發生器被關閉。 由上可知，MSP430 F135的超低功耗性能的實現主要與它對時鐘的產生與控制密切相關。在超低功耗的設計中CPU的大部分時間都處于休眠狀態。MSP430 F135有5種低功耗模式，在主程序中CPU完成了相應的設置或任務之后就讓CPU進入適當的低功耗模式。CPU所需完成的大部分工作都在中斷服務程序中完成，由相應的中斷喚醒CPU完成中斷服務，執行完成之后再進入低功耗模式。從而可以通過軟件對內部時鐘系統的不同設置來控制芯片，使它處于不同工作方式。整個時鐘系統提供豐富的軟硬件組合形式以達到最低的功耗并發揮最優的系統性能。 （四）外部心電數據存儲器--1兆位3V供電的閃速可編程可電擦除的16位存儲器AT29LV1024 AT29LV1024是一種3V系統供電的閃速可編程可電擦除的16位存儲器（PEROM），具有1M位的存儲空間，1M位的存儲空間分成512個分區，每一分區128個字。該芯片采用ATMEL公司先進的非易失性的COMS工藝制造，在使用溫度范圍內存取時間為150ns，此時功率消耗僅為54mW。當AT29LV1024處于休眠狀態時，CMOS的維持電流不超過50μA。AT29LV1024的每一分區可擦寫超過10,000次。 AT29LV1024具有掉電保護功能，方便的在線編程能力不需高的輸入電壓，指令系統在3V電壓下即可控制AT29LV1024。從AT29LV1024中讀取數據與EPROM的操作相似，再編程能力是以每一分區為單位的，128字的數據裝入AT29LV1024的同時完成編程。在一個再編程周期里，存儲單元的尋址和128字的數據通過內部鎖存可釋放地址和數據總線，這樣可為其他操作提供地址和數據總線。編程周期開始AT29LV1024會自動擦除分區的內容，然后對鎖存的數據在定時器的作用下進行編程。編程周期的結束是通過查詢I/O7或者I/O15的 有效時實現的，一旦編程周期結束，就可開始一個新的讀或編程操作。 AT29LV1024的工作原理如圖4所示。 AT29LV1024是一種新型的存儲器，具有以下特點：（1）3V～3.6V供電范圍；（2）單一3V讀寫操作；（3）硬件和軟件數據保護；（4）快速讀取時間：150ns；（5）低功率消耗：15mA有效電流，50μA CMOS維持電流；（6）分區程序操作：擦除、編程單向循環方式，512個分區（128字/分區），內部地址和128字數據鎖存；（7）快速的的分區編程周期：20ms；（8）內部程序和定時器控制；（9） 查詢程序是否結束；（10）典型擦除、編程可超過10 000次；（11）CMOS和TTL可兼容的輸入輸出；（12）有商用和工業用的溫度可選范圍。 在家用單導心電圖機中，利用AT29LV1024作為單片機片外擴展的數據存儲器，存放心電數據，這些存放的數據可在線實時使用或需要時從存儲器中讀取。AT29LV1024的掉電保護的功能可以在意外掉電或關閉電源的情況下保存數據，這樣不僅確保了數據的可靠性，還可以省電。由于AT29LV1024可作程序存儲器也可作數據存儲器，因而在這里存放從人體采集的心電數據，這些數據是通過單片機的A/D轉換獲得的心電信號的數字量，這些數字量首先存放在單片機的內部RAM中，當內部RAM存滿128字之后數據便依次存放在外部數據存儲器AT29LV1024中，今后需要使用這些數據時，便可從AT29LV1024中讀出。AT29LV1024可存儲或修改幾段不同時期的心電波形，例如：用戶的日常病例，以供日后參考。當需要更新這些數據時可以通過電擦除更新已存儲的數據，以重新存儲新的心電數據。 由于從AT29LV1024的再編程能力是以每一分區為單位的，128字的數據裝入AT29LV1024的同時完成編程，它的每次操作時是以128字單位的，每次存儲、更新都是128字，并且每次在送128字數據之前都需要進行初始操作，程序如下： MOV A, #AAAAH MOV DPTR, #5555H MOVX @DPTR, A MOV A, #55H MOV DPTR, #2AAAH MOVX @DPTR, A MOV A, #A0A0H MOV DPTR, #5555H MOVX @DPTR, A AT29LV1024在系統中的應用使用戶不僅能快速地實現所需功能，而且電擦除的方式為程序和數據的存儲和更新提供了方便，特別是其掉電保護的功能可以在意外掉電或關閉電源的情況下保存數據，確保了存儲的可靠性并減少了耗電，是以往采用RAM所不具有的功能，對于心電數據的存儲有很大的方便，例如從人體所采樣的A/D值可隨時存儲在AT29LV1024中，以便回放、打印、傳輸時調用。 (五)液晶顯示系統--LMS0912A液晶顯示模塊 LMS0192A液晶模塊是一種小型的液晶系統，它的外觀尺寸為79×42mm，44個引腳。160×64點陣顯示，點大小為0.30×0.34(mm)，點間距0.34×0.38(mm)。內部擁有大規模集成并帶有驅動器和控制器，它直接受單片機控制，接收8位的串行或并行顯示數據的同時可將數據顯示，并將數據存儲在片內的數據存儲器中（DDRAM）。DDRAM中的數據顯示單元與液晶屏的點陣單元存在一一對應關系，并且LMS0192A液晶模塊數據的讀寫操作不受外部時鐘的控制，因而LMS0192A的顯示具有很高的靈活性。LMS0192A液晶模塊帶有液晶必須的電源驅動電路，這樣可用最少的元件和最小的功耗實現模塊的功能。 在微型家用心電圖機中采用LMS-0192A液晶顯示模塊作為菜單和心電波形的顯示。它以MSP430作為液晶的微處理器，通過單片機采集和處理心電數據，輸出給液晶顯示。 1、接口方式：MSP430與LMS-0192A的接口如圖5所示。 3、漢字菜單的顯示：菜單主要是由漢字組成，可通過漢字字庫將每個漢字轉換為16×16點陣共32個16進制的數據送液晶顯示。每個漢字的數據分別對應一個數據表，程序可通過查表的方式顯示漢字。 4、心電波形顯示：心電波形是一系列的曲線，在液晶上要顯示這些曲線需要將相應的點陣顯示，對于一條心電曲線，起始顯示數據點在起始列只顯示一點，從第二個數據點開始，要在下一列顯示上一數據點到此次數據點之間的線段。具體方法可通過16進制的數據除以總頁數8得到商和余，得到的商為此數據點所在的頁，得到的余為此數據點所在頁的行數。注意的是每一數據點應在相應的列，因為列地址每送一個數據自動加1，因而在每次從DDRAM中讀取數據時一定要保證列位置的正確，否則會出現曲線的混亂。這樣利用LMS-0192A液晶模塊將心電波形打印或直接從液晶上讀取信息，為診斷提供依據。 5、液晶初始化的程序如下(模塊使用前，必須往引腳/RES 送/RES 信號，送/RES 信號后,模塊可自動設定默認值。): MOV DBUS， #0ABH ；內部晶振打開 MOV DBUS， #02FH ；置供電路控制，本模塊典型值為02FH MOV DBUS， #024H ；V5 電壓調節內部電阻比值，可以根據用戶調節 MOV DBUS， #081H ；電控設置,兩語句配合使用 MOV DBUS， #018H ；預設對比度調節該值，可以調節ＬＣＤ對比度 MOV DBUS， #0A2H ；置LCD偏壓比，1/7 偏壓 MOV DBUS， #0A0H ；ADC 選擇，設置列正向輸出 MOV DBUS， #0C0H ；COMMON 輸出狀態選擇，設置掃描方向正常 ；如果ADC=1，請選擇反向 MOV DBUS， #0AFH ；顯示開 （六）心電信號的電話傳輸--脈寬調制法 在家用心電圖機中，設有脈寬調制電話傳輸這一功能。這里采用了脈寬調制的基本原理，并且根據實際需要提出了一種改進的脈寬調制方法，使脈寬調制和解調的硬件和軟件方法簡單，信號解調后失真小，可以實現快速的電話傳輸。其主要原理如圖6所示。用戶在家中或任何有電話的地方都可將存儲在家用心電圖機中的心電信號驅動揚聲器經聲音耦合后通過電話網絡發送到醫院。醫院的接收系統經過放大、濾波，利用比較器產生脈沖波形，此波形進入單片機后通過程序計算出每一個脈沖所代表的采樣值，此后單片機將獲得的采樣值利用串口通訊發送到計算機中，計算機經VC++程序處理再現心電波形。 1.發送部分 MSP430 F135將心電的12位A/D采樣值存儲在外部數據存儲器中，當需要進行電話發送時從外部RAM中取出，并且取低10位用來控制定時器產生寬度隨采樣值變化的脈沖，這一脈沖就可認為是經過采樣調制過的脈沖信號（圖7，其中τ1為第一個采樣值對應的脈沖寬度，T1為第一個采樣值的脈沖周期，同理τ2為第二個采樣值對應的脈沖寬度，T2為第二個采樣值的脈沖周期），這樣的脈沖驅動揚聲器通過電話網絡發送到醫院。電話傳輸信號的頻率范圍為300－1300Hz，300Hz的采樣值對應時間τ應為1.667ms＝1667μs，對應定時器的定時值τ'=0682H，定時器TH0TL0=F97DH(定時器0加計數)，1300Hz則對應定時器的定時值τ'=0180H，定時器TH0TL0=FE7FH(定時器0加計數)。因而所有采樣值的定時值0180H＜τ'＜0682H，由于采樣值可能為零，所以在采樣值的基礎上加上0200H（＞0I80H）的基值，這樣采用10位采樣值，最大為03FFH，最小為0000H，加上基值后的0200h≤τ' ≤05FFH在τ'的允許范圍之內，因而可以準確無失真的傳輸。 2.接收部分 微型家用心電圖機配有接收系統，揚聲器BEEP接收到信號之后由雙運放TL062構成低通濾波器，截止頻率f=1/2ΠC1R2=1300Hz，并且放大倍數為3.3×106/100×103=33，TL062的第二級構成比較器，使輸入的信號經比較器后成為寬度變化的脈沖方波，每一個變化的脈沖寬度代表了一個接收到的心電信號采樣值，此脈沖波進入單片機后通過計算恢復出心電采樣值。 （七）菜單界面及鍵盤接口 在家用心電圖機中，提供四個按鍵供用戶操作，對應于液晶顯示器上相關菜單。菜單包括：歡迎菜單、主菜單、次級菜單等三個層次，均由液晶顯示提供。每一級菜單提供給用戶簡單的提示方便用戶使用，因而用戶只需在菜單的提示下按一鍵（有A、B、C、D四個鍵）便可完成所需要的操作。例如：主菜單顯示如圖9所示： 本機采用的是獨立式按鍵，直接用I/O口線構成單個按鍵電路。每個按鍵單獨占有一根I/O口線，且其工作狀態不會影響其它I/O口線的工作狀態。由于MSP430 F135的端口1、2均具有中斷功能，所以可以采用了中斷方式的獨立式按鍵電路，電路連接如圖10所示： 由于在使用過程當中，每個按鍵和液晶菜單相聯系，從而要在單一按鍵上要實現不同的功能，所以簡單的獨立式按鍵電路還不能滿足設計的需要，在這里就必須使用軟按鍵輪詢技術。軟按鍵輪詢技術是用于將菜單和按鍵組合在一起的用戶界面新技術。該技術使得用戶可以在單一的功能鍵上進行多種選擇。也就是說，每個按鍵可以和一個命令菜單或參數菜單相聯系，用戶可以通過按合適的鍵（如光標鍵）來選擇所需要的命令， 也就是說采用按鍵嵌套的方法來使同一按鍵實現不同的功能。 三、 小結 心電圖機是診斷心臟病的重要儀器之一，目前市場上有多種心電圖機，但是這些心電圖機都不太適合在家庭中使用。微型家用心電圖機正是面向廣大用戶而設計的。它體積較小，攜帶方便，便于出門在外使用。操作簡單，功能齊全、價格便宜、功耗低，性價比高，適用于在廣大家庭中推廣應用，因而將為人們及時、隨地的心臟監測和保健帶來方便。 該微型家用單導心電圖的突出特點就是功耗低，性能好。與其他心電圖機的突出不同之處在于，本系統采用新型低功耗16位單片機--MSP430 F135來作為整個系統的控制核心。由于采用了功能強大的MSP430單片機，本系統設計的硬件電路與以往有較大差異。MSP430 F135有著豐富的外圍模塊，因此比較容易地實現了心電信號的采集、處理、存儲、打印以及發送，從而使整個硬件電路得到極大地簡化。 |
