基于MSP430的低功耗脈象信號采集系統

杜輝，龐春穎

（長春理工大學 生命科學技術學院，長春 130022）

脈象信號包含許多重要的生理病理信息，可以為臨床治療和診斷提供重要依據。傳統脈診依靠中醫的手指和經驗獲取脈象信號從而診斷病情，對脈象的描述采用比喻的方法，這就造成了主觀難以言明、缺乏經驗難以理解等缺點［1］。因此，為脈診建立切實可行的客觀指標，定量研究人體脈象信息，是繼承和發揚我國中醫脈診技術迫切需要解決的問題。

自從英國人Marey以彈簧為動力設計了杠桿式脈搏傳感器以來，脈象的采集有了快速發展。1860年首次出現了杠桿和壓力鼓式描述脈搏圖，1895年開始采用換能的方式，出現了杠桿式光學脈搏描述器［2-4］。20世紀50年代開始，日本、韓國等都先后開展了脈象學及脈診客觀化的研究。隨著傳感器技術的不斷發展，近年來國內出現了十多種脈象描記儀器，例如TP-CBS型分析儀、ZM-I型脈象儀、MTY-Ⅱ型脈圖儀、MX-811型脈象儀等。但是這些脈象描記儀存在著功耗高、難以實現遠程傳輸、成本與精度不可兼得等缺陷。伴隨遠程醫療的發展，人們對脈象采集儀器的功耗和遠程傳輸提出了新的要求。

本文設計的基于MSP430單片機的脈象信號采集系統，充分利用MSP430芯片的低功耗特性和信號處理能力，通過數據采集、數據處理模塊、顯示模塊的設計，實現了脈象信號的采集和顯示。該脈象信號采集系統具有微型化、低功耗、易于操作的特點，可以實時顯示脈象信號，并實現與PC機的數據通信，既可以在上位機進行信號的分析，也為遠程醫療提供了條件。

1 系統總體設計方案

脈象信號屬于低頻微弱信號，而且伴隨著很多噪聲，因此需要放大濾波等預處理。考慮到個體差異而造成的脈象信號強度不同，所以該系統包含了增益調節電路，根據不同的實際情況調節放大倍數，因此適用于不同人群。

本文所設計的脈象采集系統采用了HK-2000B型脈象傳感器，以MSP430F169單片機作為控制核心，通過液晶屏進行脈象信號的實時顯示。系統還利用USB轉串模塊實現了與PC機的通信，系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

2 系統硬件電路設計

從脈象傳感器HK-2000B采集出的脈象信號比較微弱，無法直接進行處理，需要進行信號的放大。同時脈象采集系統處于開放性工作環境，需要對周圍干擾信號進行濾除。脈象屬于低頻信號，頻帶為1～20Hz［5］。本設計中先對從傳感器采集到的信號進行高通濾波和放大，同時為了順利的A/D轉換設計了電平抬升電路，具體電路如圖2所示。

圖2 高通濾波和增益調整電路

該部分電路主要采用了兩個一階高通無源濾波器對脈象信號進行了兩次高通濾波。第一個高通濾波器由R1和C1組成。它的截止頻率由下式求得：

為了更好地取得有用信號，避免第一次濾波不夠徹底，借助電平抬升電路進行了二次高通濾波，由C3、R5、R6組成。由于采集脈象信號為雙極性信號，為了無損失地用單極性A/D轉換器采集信號需要對脈象信號的直流分量進行電平抬升。另外，該部分電路還借助TL062芯片設計了增益可調的放大電路，主要由滑動變阻器R2、R3、R4、TL062組成，其增益可調范圍為0～20倍。

在對脈象信號進行了高通濾波和放大之后，本設計根據脈象信號的特點對其進行了低通濾波。由于脈象信號的主要頻段在20Hz以下，所以低通截止頻率應為20Hz。該脈象采集系統采用了集成8階巴特沃斯低通濾波器MAX291芯片，由于MAX291芯片的轉折頻率由其外接的時鐘信號決定，而MAX291芯片的時鐘/轉折頻率比為100∶1。要實現轉折頻率為20Hz的低通濾波器，需要為MAX291輸入2kHz的時鐘信號，可由MSP430F169單片機的定時器來產生。具體電路如圖3所示。

圖3 低通濾波電路

3 系統軟件設計

本設計從脈象信號的連續采集和實時顯示以及低功耗等角度出發選擇了TI公司研發的MSP430F169單片機作為處理核心。該芯片具有12位的ADC，并自帶內部參考源和3個捕獲/比較器的16位定時器，超低功耗（在活動模式280mA，待機模式1.1mA，掉電模式0.1mA），同時可以利用軟件編程選擇5種不同的節電模式，從而達到低功耗的目的。MSP430單片機主要以軟件方式完成A/D轉換、數據存儲、分析、結果顯示、USB傳輸等功能。系統軟件流程圖如圖4所示。

脈象信號經過A/D轉換后主要進行脈率、主波幅度、脈動周期的計算［6］，并且將得到的結果和脈象信號實時顯示在LCD顯示屏上。這些參數可以為醫護人員對病情的診斷提供參考。同時通過串口通訊將數字化的信號傳輸到PC機上，可以對脈象信號進行更加復雜的處理，得到更加詳細的信息。

圖4 軟件流程

4 實驗結果

本文選取不同的樣本對系統進行了實際測試。首先實現脈象信號的模擬采集，所采集的脈象信號在示波器上顯示，經過示波器的讀數可以確定該信號符合人體脈象信號特性，如圖5所示。

圖5 模擬脈象信號

接下來利用MSP430F169單片機的A/D轉換模塊進行脈象信號的數字化處理，A/D轉換之后利用USB轉串的模塊通過單片機的串口和PC機進行通信［7，8］，將數字信號傳輸到PC機上，得到的脈象信號如圖6所示。

圖6 數字脈象信號

同時，脈象信號由MSP430F169單片機和CM320240-3EBLWA-5N液晶屏實時顯示，結果如圖7所示。

圖7 設計結果顯示

5 結論

本文針對脈象信號特點，設計了基于MSP430的脈象信號采集系統。介紹了系統設計的總體方案，對系統各個模塊進行了詳細介紹，通過軟硬件結合實現了脈象信號的采集和顯示。并對所設計系統進行了實際測試，給出了測試結果圖。經過試驗表明，該系統可以將它采集到的脈象信號準確的顯示出來，為醫生的診斷和治療提供參考。該系統具有微型化、低功耗、易于操作等特點。同時它適用于一些特殊場合，如：救災、急救等。該系統還可通過對軟件部分的進一步升級，使之具有更多的分析功能，比如可以判斷脈類，并根據脈類提供一些用藥建議等，這樣可以降低對使用者的專業要求。

［1］劉元華，楊其華，史紅斐，等.脈象采集方法及功率譜分析研究［J］.中國計量學院學報，2008，19（3）：251-255.

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［4］沙洪，趙舒，王妍，等.中醫脈象多信息采集系統的研制［J］.中華中醫藥雜志，2007，22（1）：21-24.

［5］蔡瀟，秦肖臻，康雙雙.脈象信號濾波與特征值提?。跩］.計算機工程與科學，2012，34（9）：88-92.

［6］楊濤，林宛華.基于光-頻率轉換器的高精度數字脈搏血氧儀的設計［J］.北京生物醫學工程，2011，30（1）：74-77.

［7］陳若珠，周紅標，韋哲.基于USB總線的脈搏信號檢測系統的設計［J］.電子測量技術，2008，12（31）：116-118.

［8］張利娟，王曉曼，景文博，等.基于Labview的無卡數據采集方法［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2013，36（5）：137-139.