基于ADS1298R的ECG信號采集終端的設(shè)計

【作 者】曹昌盛，伍守豪，吳京蘭，徐銘

1 深圳清華大學(xué)研究院數(shù)字電視系統(tǒng)重點實驗室，深圳市，518057

2 深圳市南山人民醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科，深圳市，518067

3 深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，深圳市，518060

基于ADS1298R的ECG信號采集終端的設(shè)計

【作 者】曹昌盛1,3，伍守豪1，吳京蘭2，徐銘3

1 深圳清華大學(xué)研究院數(shù)字電視系統(tǒng)重點實驗室，深圳市，518057

2 深圳市南山人民醫(yī)院重癥醫(yī)學(xué)科，深圳市，518067

3 深圳大學(xué)信息工程學(xué)院，深圳市，518060

該文以TI公司的MSP430F6659和ADS1298R芯片為核心，設(shè)計了面向家庭健康監(jiān)護(hù)的心電信號采集與顯示終端。首先介紹了心電采集的基本原理，然后以MSP430F6659和ADS1298R芯片為核心闡述了系統(tǒng)總體方案，并介紹了其外圍接口、心電波形LCD實時顯示、數(shù)據(jù)存儲、USB與上位機(jī)通信等模塊。所設(shè)計的ECG信號采集終端具有體積小、功耗低等特點。

ECG信號采集；ADS1298R；心電導(dǎo)聯(lián)；MSP430F6659

0 引言

心臟搏動時，心肌在激動過程中會產(chǎn)生微弱的電流，稱之為心電。通過測量電極將某體表部位的電信號傳導(dǎo)出來，再經(jīng)過信號放大和濾波電路的處理，并用記錄器描記下來，畫出的變化曲線即為ECG(心電圖)[1-2]。心電信號具有隨機(jī)性強(qiáng)，噪聲背景性強(qiáng)，信號頻率低等特點，有大量的直流成分，去掉直流后主要頻率范圍是(0.05～100) Hz，大部分能量集中在(0.05～40) Hz。人體心電信號是反映心血管功能的重要生理參數(shù)。隨著科技的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的日趨提高，人們對自身身體狀況的關(guān)心和關(guān)注越來越明顯，便攜式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備受到越來越多的青睞。本文以家庭和社區(qū)應(yīng)用為出發(fā)點，設(shè)計了一種心電采集系統(tǒng)，采用TI的超低功耗芯片MSP430F6659和模擬前端ADS1298R方案，具有體積小、功耗低的特點。

1 系統(tǒng)方案

本文的硬件電路以TI公司模擬前端ADS1298R芯片和低功耗16位單片機(jī)MSP430F6659為核心，輔以外圍電路如電源電路、單片機(jī)復(fù)位電路以及USB接口電路等電路而進(jìn)行設(shè)計。方案設(shè)計簡單，不需要復(fù)雜的信號采集、放大、處理電路，只需簡單的芯片接口配置和寄存器配置就能完成ECG心電信號的采集、顯示、存儲以及傳輸。其硬件系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 采集前端硬件方案框圖Fig.1 The block diagram of the front-end hardware

2 硬件設(shè)計

2.1 采集前端

本文采用TI公司的ADS1298R芯片作為心電信號采集前端，ADS1298R是一個具有8通道24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的集成模擬前端，主要用于心電信號的采集[3]。ADS1298R還具有內(nèi)置的可編程增益放大器（PGA），內(nèi)部基準(zhǔn)時鐘和一個晶體振蕩器，每個通道的抑制比大于110 dB，輸入阻抗為10 MΩ，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率500 Hz～32 kHz可調(diào)。ADS1298R芯片內(nèi)部集成有右腿驅(qū)動電路，威爾遜中心電端和導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路等，簡化了電路設(shè)計的復(fù)雜度，具有所有醫(yī)療心電和腦電信號采集要求的所有特性。借助于其高度的集成特性和出色的性能，ADS1298R可以大大減小醫(yī)用消費(fèi)電子產(chǎn)品的尺寸、功率和總體開發(fā)成本，延長便攜式醫(yī)療器械的使用/待機(jī)時間。

ADS1298R采集前端通過導(dǎo)聯(lián)和人體連接，導(dǎo)聯(lián)可分為肢體導(dǎo)聯(lián)和胸導(dǎo)聯(lián)[4-5]。以右腿為參考，LA(左臂)、RA(右臂)、LL(左腿)分別和RL(右腿)之間的電勢差為三個標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)：I、II、III；以心臟為中心即威爾遜中心電端，左腿、左臂、右臂與心臟的點位差構(gòu)成三個單級肢體導(dǎo)聯(lián)：aVR、aVL、aVF；V1～V6六個胸部電極與威爾遜中心電端的電位差構(gòu)成6個胸導(dǎo)聯(lián)。每個導(dǎo)聯(lián)的輸入端加入過壓保護(hù)電路和濾波電路，在具體的測量過程中選擇肢體導(dǎo)聯(lián)或者胸導(dǎo)聯(lián)。

2.2 MCU及外圍模塊

本文采用TI公司的MSP430F6659作為主處理芯片，主要完成讀取ADS1298R轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，將其處理后根據(jù)需要進(jìn)行存儲、顯示和傳輸。MSP430F6659具有高性能、低功耗的特點[6]，能在25 MHz晶振的驅(qū)動下，實現(xiàn)40 ns的指令周期。16位數(shù)據(jù)寬度、40 ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，指令速度可達(dá)25 MIPS。MSP430F6659包括4分16位定時器，一個高性能12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，3個串行通信接口，一個報警功能的時鐘模塊，1個比較器以及USB2.0和74個通用I/O口[7]。這些豐富的接口資源可以省去大量的外圍電路設(shè)計，使系統(tǒng)更加簡潔。

存儲部分采用容量為4 GB的MicroSD卡，具有體積小、成本低、可以方便的移植文件系統(tǒng)，編程方便等特點。本設(shè)計中當(dāng)采樣率為500 Hz時，可以連續(xù)存儲48 h以上無壓縮的8通道心電數(shù)據(jù)。

顯示部分采用屏幕大小是7.0 in(1 in=25.4 mm)，分辨率為800×480的多功能總線型LCD彩色顯示屏幕。顯示模塊可以提供文字與繪圖模式功能，可結(jié)合文字或 2D 圖形應(yīng)用。特有的 BTE 功能， 能夠完成各類圖形文字處理， 提高 MCU 軟件執(zhí)行效率。MCU將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至LCD，實現(xiàn)實時心電波形、實時采集數(shù)據(jù)的參數(shù)和計算結(jié)果的顯示。

與PC的通信模塊采用MSP430F6659內(nèi)部集成的USB模塊，該USB模塊是基于USB2.0設(shè)計，可以使用鎖相環(huán)倍頻至48 MHz，內(nèi)部提供豐富的API接口，包括大容量存儲設(shè)備（MSC）、人機(jī)交互設(shè)備類（HID）、基于虛擬串口的設(shè)備類（CDC）、國際通用醫(yī)療衛(wèi)生專用的設(shè)備類（PHID）四種通信設(shè)備類。本文采用CDC的通信設(shè)備類，實際速率可以達(dá)到（200～300）byte/s，滿足心電采集的速率要求。整體的外圍接口設(shè)計如圖2所示。

圖2 MCU外圍結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 MCU external structure diagram

3 軟件實現(xiàn)

3.1 ADS1298R的軟件配置

ADS1298R的初始化首先要初始化芯片需要的時鐘，是否使用外部晶振，設(shè)置復(fù)位操作，等待上電穩(wěn)定，配置外部參考電壓，配置各個功能寄存器，選擇自定義功能等。這些配值可以完成ADS1298R的功能選擇，配置需要的功能模式，其初始化流程圖如圖3所示。其中最主要的是設(shè)置連續(xù)采集與單次采集模式、設(shè)計右腿驅(qū)動及胸導(dǎo)聯(lián)的工作模式等。

ADS1298R的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分為兩種，一種是單次讀取，命令為RDATA(12 H)，在該工作模式下每發(fā)送一次RDATA命令讀取一次采集數(shù)據(jù)。第二種方式為連續(xù)讀模式，命令為RDATAC(10 H)，在該模式下為連續(xù)轉(zhuǎn)換連續(xù)讀取，當(dāng)一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后信號引腳變?yōu)榈碗娖剑砻骺梢宰x取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，此時連續(xù)發(fā)送27 byte的測試信號以讀取所有的轉(zhuǎn)換結(jié)果，拉高。當(dāng)數(shù)據(jù)全部讀出后等待下次引腳電平變化，當(dāng)電平變低時再讀取數(shù)據(jù)。停止轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時發(fā)送STOP(0A H)命令，發(fā)送開始轉(zhuǎn)換命令START(08 H)再次開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

圖3 ADS1298R的初始化流程Fig.3 ADS1298R initialization process

3.2 采集終端軟件實現(xiàn)

本軟件部分采用模塊化的設(shè)計思想，對各個模塊分別設(shè)計，再將模塊的功能整合成API功能函數(shù)的接口。主程序中調(diào)用API接口，實現(xiàn)心電信號采集終端的軟件設(shè)計，完成心電數(shù)據(jù)的采集，整體的軟件實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 采集終端的軟件流程圖Fig.4 Software flow chart of acquisition terminal

根據(jù)圖4軟件實現(xiàn)流程圖，軟件實現(xiàn)的流程為：首先完成各個模塊的上電初始化，包括ADS1298R初始化、USB接口初始化、LCD和MicroSD卡初始化、時鐘初始化、定時器初始化等，能使全局中斷。

其次完成采集終端的功能配置。功能配置的第一步是選擇采集終端的工作模式，工作模式分為USB模式和存儲模式，兩種模式下都實時顯示心電波形。選擇USB模式時，應(yīng)用基于虛擬串口的USB接口將采集終端采集的心電數(shù)據(jù)傳輸至電腦端的上位機(jī)并保存起來；選擇存儲模式時，采集終端將采集的心電數(shù)據(jù)保存在MicroSD卡中。MicroSD卡采用移植小型的FatFs文件系統(tǒng)，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和操作。ADS1298R設(shè)置為500 Hz的采樣頻率采集數(shù)據(jù)，每次采樣采集8個通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)時再加上一個ADS1298R的狀態(tài)數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)24位精度，即每次采樣為9×3 byte = 27 byte的數(shù)據(jù)，MicroSD卡可以連續(xù)存儲48 h以上的數(shù)據(jù)。完成工程配置后進(jìn)行心電數(shù)據(jù)采集，采集的同時將心電波形在LCD上實時顯示。

4 結(jié)果和測試

本文設(shè)計的采集終端樣機(jī)的實物圖如圖5所示，連接上肢體導(dǎo)聯(lián)，按鍵選擇心電測量，LCD顯示屏幕上實時顯示心電波形圖，對不同的人進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，對不同的人均能正確顯示心電波形。

圖5 實物演示Fig.5 Physical demonstration

5 總結(jié)

本文采用基于TI公司的ADS1298R芯片模擬前端和MSP430F6659超低功耗MCU方案設(shè)計的心電信號采集終端，可以完成在LCD上實時顯示心電信號波形；同時將數(shù)據(jù)存儲在MicroSD卡中，能夠連續(xù)存儲48 h以上的無壓縮數(shù)據(jù)，方便用戶長時間記錄和存儲心電數(shù)據(jù)；可選擇將采集的心電數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸至PC端的上位機(jī)并保存，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行離線分析。

本設(shè)計還可以在以下兩方面進(jìn)行改進(jìn)：一是使用處理能力更強(qiáng)的MCU，加入心電數(shù)據(jù)處理的算法，以達(dá)到對心電波形實時自動分析的目的[8]。二是充分利用ADS1298R芯片內(nèi)置的起搏信號檢測功能和呼吸阻抗功能等將系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展，豐富系統(tǒng)功能。

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Design of ECG Signal Acquisition Terminal Based on ADS1298R

【W(wǎng)riters】CAO Changsheng1,3, WU Shouhao1, WU Jinglan2, XU Ming3
1 Digital TV System Key Laboratory of Research Institute of Tsinghua University in Shenzhen, Shenzhen, 518057
2 Department of Critical Care Medicine of Nanshan People's Hospital in Shenzhen, Shenzhen, 518067
3 School of Information Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, 518060

The home health monitoring of the ECG signal acquisition and display terminal is designed with MSP430F6659 and ADS1298R chip of TI company. The basic principles of ECG collection is introduced in the beginning, and then the overall scheme of the system is described by MSP430F6659 and ADS1298R chip as the core, and the modules peripheral interface, real-time display in LCD, data storage and USB are introduced. The ECG signal acquisition terminal designed in this paper has the characteristics of small size, low power consumption and so on.

ECG signal acquisition, ADS1298R, ECG lead, MSP430F6659

TH772；TN911.7

A

1671-7104(2017)01-0023-03

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.01.007

2016-04-27

深圳市科技計劃項目（CXZZ20130516153930222）

伍守豪，E-mail: wush@tsinghua-sz.org