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一、概述
心血管疾病是一种较为普遍的疾病,随着生活节奏的加快,生活水平和健康意识的提高,人们需要随时对心脏进行健康监护并且能在比较危急的情况下进行及时的诊治;同时,如果长期住在医院里面进行监护和治疗,那样花费高而且也给医院带来了不小的门诊压力。心电图机是诊断心脏病的重要仪器之一,目前市场上有多种心电图机,但是这些心电图机都不太适合在家庭中使用。为此,一种能够在家庭中应用、操作简单、价格便宜的低功耗家用电图机的设计方案应运而生。
总所周知,随着科学技术的推进、人类社会的发展进步,全球医疗仪器的发展也是日新月异。21世纪的医疗行业主要呈现以下两个特点：第一、未来的医疗世界,主要的代表产品是纳米机械元件、随身佩戴式化学感测器、居家保健应用医疗器材等。第二、信息与医疗技术紧密地结合在一起。家用心电图机的设计正是顺应这两个大趋势。另外,从这次SARS病毒爆发来看,可以预计,它将会推动居家保健应用医疗器材的发展。因此,家用心电图机在国内外都是一种新型产品,具有极大的市场发展潜力。
二、功能与基本原理
（一）总体设计
为了实现心脏的"健康监护"和"家庭门诊",该家用心电图机具有以下基本功能：
- 利用液晶显示系统实时显示心电波形和工作菜单;
- 利用外部存储器将需要存储的心电信息保存以便日后作为诊治参考;
- 利用打印机将心电图打印存档;
- 可整理保存用户的记录信息;
- 多种操作模式,自动,手动操作可以任意选择;
- 可以方便的将从人体采集到的心电信号传送到相关的医疗机构。
考虑到用户实际使用的需要,家用心电图机还必须满足以下的特点：
- 抗干扰能力强;
- 体积小,重量轻,携带方便;
- 操作简单;
- 功耗低;
- 为了得到广泛推广使用,生产成本要低,必须有比较好的性能价比。
该家用心电图机采用的是干电池供电,而干电池供电需要解决的一个基本矛盾是：低功耗要求系统采用比较低的时钟频率而与此同时要求系统对一些基本的操作能够快速反应和启动,这就要求系统最少具备两种高低不同的频率,必要时两种频率可以切换使用。正因为MSP430 F135具有丰富灵活的时钟模块,所以本系统选取它来作为控制核心,与此同时还选用了与之配套的低功耗外部存储器AT29LV1024和液晶显示模块LMS0192A。
德州仪器公司所提供的MSP430为高整合、高精度的单芯片系统,是目前工业界中具有最低功耗的flash 16-bits RISC微控制器。MSP430 F135具有强大的处理功能和丰富的外围模块,可方便地实现心电信号的采集、处理、存储、打印以及传输。另外,将其作为系统的控制核心,可以极大地简化整个硬件电路和提高系统的性价比。
心电信号由电极或导联线从人体采集,经放大、滤波处理后进入单片机进行A/D转换,送液晶显示。如需存储则按下存储键后心电数据就会存储到外部存储器中,而且在需要回放、打印、传输时,可以直接从外部存储器中调出使用,进而实现各种功能。可以直接利用网络或电话将家用心电图机所监测的数据传送到相关的医疗机构,经过诊断、处理之后由医疗机构反馈回来,因而方便和高效地实现了"家庭门诊"和"健康监测",既节省了用户开支又相对减轻了医院的门诊压力。本系统采用了图1所示的电路结构。
>（二）心电信号的检测及采集
家用心电图机所需检测的心电信号幅值在0.05～4 mV,频率在0.05～72Hz。而检测中存在的主要干扰信号有电极板与人之间的极化电压、50Hz工频干扰、仪器内部噪声和仪器周围电场磁场电磁场的干扰等等。心电信号中50Hz工频干扰可以利用自适应模板法消除,则心电图机模拟部分可以采用如图2所示的硬件结构。心电信号经电极或导联线采集后,先要进行电压放大。电压放大器一般由两级组成,前级采用负反馈差动放大电路。系统中,采用TI公司的基于双运放电路的微功耗仪表放大器INA321芯片作为心电信号的前级放大器,放大倍数为10倍。由于72Hz以上的干扰信号较强而0.05Hz以下的干扰信号相对较弱,所以在滤波电路中,采取先低通滤波取出72Hz以下的信号,然后接高通的方式,这样就能滤除极化电压信号得到心电信号。由于在前面的滤波电路中采用了RC高通滤波电路,该电路具有较高的输出阻抗,所以后级放大采用了同相放大电路,放大倍数为20倍。
心电信号的最高幅值为4mV,经过200倍的放大为0.8V,而A/DC的输入范围为0～2.5V,设计时取中间值1.25V为参考,所以放大后的心电信号叠加参考电压1.25V后大小为(1.25±0.8)V,正好落在A/DC的模拟输入信号范围。同时,心电信号的频率在0.05～72Hz之间,为了保证采样定理的要求和保证转换速率可以选取采样率fs=200Hz。MSP430 F135自带高速12位逐次逼近型ADC12,该ADC12具有内部参考电压、采样保持和自动扫描功能,有8个外通道4个内通道,高达200KHz的采样速率,多种采样方式,因而完全能够满足要求。
>图2 系统模拟电路框图
（三）单片机系统--MSP430 F135
基于功能、价格、功耗以及家用心电图机设计的实际需要等几个方面的考虑,本系统选用具有12位ADC的超低功耗微处理器MSP430 F135作为系统的控制核心,它是TI公司2000年底新推出的超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机。它具有丰富的片内外围,是一款性价比极高的单片机。利用它作心电信号的采集与处理,不仅极大地简化了系统硬件电路,还大大提高了系统的性价比。MSP430 F135的结构原理如图3所示。
由结构原理图可知,MSP430 F135包含了16KB Flash和512B RAM,还带有以下几种外设：基本时钟系统(片内DCO和两个晶体振荡器)、看门狗定时器/通用目的定时器、带3个捕获/比较寄存器3和PWM输出的16位定时器Timer_A、带3个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器Timer_B3、I/O端口1～6（每一个有8个I/O,其中端口1和2均具有中断功能）、比较器_A、12位A/D转换器ADC12、通用串行同步/异步接口USART0。
MSP430 F135包含了一个具有八个外部通道的12位高性能A/D转换器、一个具有自动扫描功能的容量为16个字的可编程缓冲器、片内参考电压、一个温度传感器以及电池低压时的检测电路,A/D转换器的速度可高达200KHz。利用芯片内置的自动扫描功能,A/D转换器可以不需要中央处理器的协助而独立工作,并且将转换后的数据自动存入缓冲区。这样,中央处理器的工作负担就大为减轻。换言之,可以让处理器去执行其它的数字信号运算或进入省电工作模式。除此之外,内置的参考电压以及温度传感器可以减少外部器件数目并且降低系统的整体成本。心电信号经过200倍放大之后经端口6进入该A/D转换器进行模数转换,转换的结果自动存放在相应通道的寄存器中,然后再送到外部心电信号存储器中。
由于内置了功耗极低的快速闪存,MSP430 F135在待机模式下所消耗的电能还少于电池未使用时的自然损耗。除此之外,它可在6ms之内从待机模式立刻转回到完全工作模式,因为在启动过程中器件不会浪费任何时间,从而可延长电池的寿命。在正常的工作状态下,如果工作电压为2.2V,器件每个MIP所消耗的电流只有250μA。
MSP430 F135有片内Flash ROM,给用户的开发调试带来极大的方便。目前的开发环境大都采用IAR公司的WINDOWS WORKBENCH软件,与之配套的有TI公司提供的开发套件MSP-FET430P140,可实现的功能为程序的下载、更新、运行、调试。由PC环境下的JTAG控制实现FLASH的编程,由片内仿真逻辑控制的全速调试可设3个断点。用户在自己的目标板上引出JTAG引线到调试装置便可实现程序的下载与调试。
MSP430F135的基本时钟系统包括一个片内DCO和两个晶体振荡器,可以产生三种系统适用的时钟信号：ACLK、MCLK和SMCLK。其中,主系统时钟MCLK用于CPU和系统,辅助时钟ACLK和子系统时钟SMCLK用于外围模块。可以通过对不同模块操作模式和CPU状态的智能化管理,使得MSP430 F135的工作方式可以适应多种超低电压和超低功耗的需求,即使在中断处理期间也一样,一个中断事件可以把系统从各种低功耗方式唤醒并且通过RETI指令返回到中断以前的工作状态。下面是MSP430 F135芯片支持的六种工作方式：
>1)活动方式(AM):CPU和不同组合的外围模块被激活,处于活动状态;
2)低功耗方式0(LPM0):CPU停止工作,外围模块继续工作,ACLK和SMCLK有效,MCLK的环路控制有效;
3)低功耗方式1(LPM1):CPU停止工作,外围模块继续工作,ACLK和SMCLK有效,MCLK的环路控制无效;
4)低功耗方式2(LPM2):CPU停止工作,外围模块继续工作,ACLK有效,SMCLK和MCLK环路控制无效;
5)低功耗方式3(LPM3):CPU停止工作,外围模块继续工作,ACLK有效,SMCLK和MCLK环路控制无效并且数字控制振荡器DCO的DC发生器被关闭;
6)低功耗方式4(LPM4):CPU停止工作,外围模块继续工作(如果提供外部时钟),ACLK信号被禁止,晶体振荡器停止工作,SMCLK和MCLK环路控制无效并且数字控制振荡器DCO的DC发生器被关闭。
由上可知,MSP430 F135的超低功耗性能的实现主要与它对时钟的产生与控制密切相关。在超低功耗的设计中CPU的大部分时间都处于休眠状态。MSP430 F135有5种低功耗模式,在主程序中CPU完成了相应的设置或任务之后就让CPU进入适当的低功耗模式。CPU所需完成的大部分工作都在中断服务程序中完成,由相应的中断唤醒CPU完成中断服务,执行完成之后再进入低功耗模式。从而可以通过软件对内部时钟系统的不同设置来控制芯片,使它处于不同工作方式。整个时钟系统提供丰富的软硬件组合形式以达到最低的功耗并发挥最优的系统性能。
（四）外部心电数据存储器--1兆位3V供电的闪速可编程可电擦除的16位存储器AT29LV1024
AT29LV1024是一种3V系统供电的闪速可编程可电擦除的16位存储器（PEROM）,具有1M位的存储空间,1M位的存储空间分成512个分区,每一分区128个字。该芯片采用ATMEL公司先进的非易失性的COMS工艺制造,在使用温度范围内存取时间为150ns,此时功率消耗仅为54mW。当AT29LV1024处于休眠状态时,CMOS的维持电流不超过50μA。AT29LV1024的每一分区可擦写超过10,000次。
AT29LV1024具有掉电保护功能,方便的在线编程能力不需高的输入电压,指令系统在3V电压下即可控制AT29LV1024。从AT29LV1024中读取数据与EPROM的操作相似,再编程能力是以每一分区为单位的,128字的数据装入AT29LV1024的同时完成编程。在一个再编程周期里,存储单元的寻址和128字的数据通过内部锁存可释放地址和数据总线,这样可为其他操作提供地址和数据总线。编程周期开始AT29LV1024会自动擦除分区的内容,然后对锁存的数据在定时器的作用下进行编程。编程周期的结束是通过查询I/O7或者I/O15的 有效时实现的,一旦编程周期结束,就可开始一个新的读或编程操作。
AT29LV1024的工作原理如图4所示。
>AT29LV1024是一种新型的存储器,具有以下特点：（1）3V～3.6V供电范围;（2）单一3V读写操作;（3）硬件和软件数据保护;（4）快速读取时间：150ns;（5）低功率消耗：15mA有效电流,50μA CMOS维持电流;（6）分区程序操作：擦除、编程单向循环方式,512个分区（128字/分区）,内部地址和128字数据锁存;（7）快速的的分区编程周期：20ms;（8）内部程序和定时器控制;（9）查询程序是否结束;（10）典型擦除、编程可超过10 000次;（11）CMOS和TTL可兼容的输入输出;（12）有商用和工业用的温度可选范围。
在家用单导心电图机中,利用AT29LV1024作为单片机片外扩展的数据存储器,存放心电数据,这些存放的数据可在线实时使用或需要时从存储器中读取。AT29LV1024的掉电保护的功能可以在意外掉电或关闭电源的情况下保存数据,这样不仅确保了数据的可靠性,还可以省电。由于AT29LV1024可作程序存储器也可作数据存储器,因而在这里存放从人体采集的心电数据,这些数据是通过单片机的A/D转换获得的心电信号的数字量,这些数字量首先存放在单片机的内部RAM中,当内部RAM存满128字之后数据便依次存放在外部数据存储器AT29LV1024中,今后需要使用这些数据时,便可从AT29LV1024中读出。AT29LV1024可存储或修改几段不同时期的心电波形,例如：用户的日常病例,以供日后参考。当需要更新这些数据时可以通过电擦除更新已存储的数据,以重新存储新的心电数据。
由于从AT29LV1024的再编程能力是以每一分区为单位的,128字的数据装入AT29LV1024的同时完成编程,它的每次操作时是以128字单位的,每次存储、更新都是128字,并且每次在送128字数据之前都需要进行初始操作,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在系统中的应用使用户不仅能快速地实现所需功能,而且电擦除的方式为程序和数据的存储和更新提供了方便,特别是其掉电保护的功能可以在意外掉电或关闭电源的情况下保存数据,确保了存储的可靠性并减少了耗电,是以往采用RAM所不具有的功能,对于心电数据的存储有很大的方便,例如从人体所采样的A/D值可随时存储在AT29LV1024中,以便回放、打印、传输时调用。
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