心电信号采集及分析系统设计

本科毕业设计（论文）

心电信号采集及分析系统设计

谭莹莹

燕山大学

2010年6月

本科毕业设计（论文）

心电信号采集及分析系统设计

学院（系）：里仁学院电气工程系

专业：生物医学工程

学生姓名：谭莹莹

学号：[1**********]2

指导教师：李昕

答辩日期：2010年6月

燕山大学毕业设计（论文）任务书

章及标题

摘要

心血管疾病是威胁人类健康的主要疾病之一，早期诊断和治疗是预防心脏病的有效途径。20世纪50年代末，美国科学家Holter 首先发明了一种心电仪，人们称它为Holter 心电仪或叫动态心电仪，这种技术在临床上可实现“长时间”、“动态”记录的心电图，就称为动态心电图。

能够记录病人24小时活动过程中的动态心电数据，给医生提供具有诊断价值的资料，对于心脏功能的评价，心脏病的早期诊断非常有益，所以心电监护仪在其中发挥着至关重要的作用。

本课题采用MSP430149单片机作为核心器件，主要完成对心电信号的24小时不间断采集、传输、存储、显示等功能。

关键词心电信号；动态心电图；MSP430单片机

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Abstract

Cardiovascular disease is one of main diseases that threat human health．and the early diagnosis and treatment are effective ways that prevent heart disease。In the late 1950s in U.S. a scientist called Holter have invented the first such dynamic electrocardiogram instrument, people called Holter monit or or Dynamic electrocardiograph, this technology can be realized in clinical "long" and "dynamic" of ECG records, known as HOLTER.

It’s very helpful to cardiac function in the early diagnosis that if it can record the patient 24 hours of dynamic ECG data process and provide the doctors materials that has diagnostic value in the evaluation.

This subject uses msp430 single chip as the core device. The whole system mainly displays collection, storage, transport, display function for 24-hour uninterrupted ECG signal collection.

Keywords ECG signal；dynamic electrocardiogram （DCG ）；Holter ；

msp430；

章及标题

摘要 ........................................................... I Abstract ...................................................... I I

目录 ........................................................... 2

第1章绪论 .................................. 错误！未定义书签。

1.1 课题研究意义 . .......................... 错误！未定义书签。

1.2国内外研究现状与文献综述 . .............. 错误！未定义书签。

1.3设计主要研究内容与系统总体设计 . ........ 错误！未定义书签。

第2章心电图的产生和特征 ..................... 错误！未定义书签。

2.1 体表心电图 ............................ 错误！未定义书签。

2.2 心电的产生 ............................ 错误！未定义书签。

2.3 各波形的意义 .......................... 错误！未定义书签。

2.4 常见的心律异常类型及特征 .............. 错误！未定义书签。

2.5 心电图的导联 .......................... 错误！未定义书签。

2.6 心电信号的特征 ........................ 错误！未定义书签。

2.7 心电信号常见干扰 ...................... 错误！未定义书签。

2.8 本章小结 .............................. 错误！未定义书签。

第3章心电检测电路设计 ........................................ 2

3.1 心电信号放大器设计要求 ................................. 2

3.2 电极的选择 ............................................. 4

3.3 保护与缓冲电路 ......................................... 4

3.4 前置放大电路 ........................................... 5

3.5 滤波电路 ............................................... 7

3.5.1 低通滤波电路 ....................................... 8

3.5.2 高通滤波电路 ....................................... 8

3.6 右腿驱动电路 ........................................... 8

3.7 电平提升电路 ........................................... 9

3.8 导联脱落检测报警电路 .................................. 10

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3.9 本章小结 .............................................. 10

第4章控制、存储及接口电路设计 ............................... 11

4.1 中央处理器及其外围模块 ................................ 11

4.1.1 芯片的选型 ........................................ 11

4.1.2 ADC模块 . .......................................... 11

4.1.3 定时器 ............................................ 11

4.2 USB数据传输 . .......................................... 14

4.3 数据存储 .............................................. 16

4.4 时钟日历芯片 .......................................... 17

4.5 液晶显示 .............................................. 18

4.6 本章小结 .............................................. 19

结论 .......................................................... 20

参考文献 ....................................................... 3

致谢 ........................................................... 4

附录1 . ......................................................... 5

附录2 . ......................................................... 6

章及标题

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第3章心电检测电路设计

3.1 心电信号放大器设计要求

由于人体的心电信号有微弱、低频、易受干扰、不稳定、随机等特点，因此对动态心电图的心电放大器的设计有很苛刻的要求。

1．增益

由于心电信号非常微弱，只有0．05～5mV ，而心电放大器增益的常规设计要求心电在正常输入时，即输入为1mV 时，输出电平达到1V 左右(A/D转换器的最大输入电压为3.3V) ，所以心电放大器的放大倍数很高，为1000倍左右。

2．频率响应

由于人体心电信号的频谱范围为0.05～100Hz ，能量主要集中在17Hz 附近。而按照美国最新标准要求，动态心电图频带应不窄于O.67～40Hz ，所以，要求心电放大器在此频率范围内必须不失真地放大所检测的各种心电信号，为了减少不需要的带外噪声，心电信号用高通和低通滤波器来压缩通频带，经过这样的心电放大器心电信号才具有可靠的诊断价值。

3．高输入阻抗

心电放大器输入阻抗的设计取决于人体的阻抗特性，所使用的电极类型以及与人体的接触界面。心电放大器通过电极连接到人体身上。由放大器的输入端向人体方向看去，从电极、导电膏、皮肤(角质层、粒层、汗腺) 、组织液到心脏外壁形成了信号源阻抗，这个源阻抗可看作由一组串并联的电阻及电容组成。在低频的情况下，这个源阻抗为纯电阻错误！未找到引用源。。显然它包括人体电阻(R)、皮肤电阻及电极与皮肤的接触电阻(错误！未找到引用源。) 那么电阻错误！未找到引用源。=R＋错误！未找到引用源。。(错误！未找到引用源。R) 。人体内组织液是一种电解质，所以R 与组织液离子浓度有关。错误！未找到引用源。不仅与皮肤和电极接触松紧有关，还与皮肤的干湿、清洁度及每个人角质层的厚薄有关。

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由于心电信号源阻抗具有高阻抗的特性，而心电信号是微弱的，若心电放大器的输入阻抗不高，那么经过分压后，心电放大器输入端的信号就非常微弱了。心电信号损失严重，而且信号源过负荷使心电信号产生畸变。信号源阻抗不仅因人而异，因生理状态而异，而且在测量时，与电极的安放位置电极本身的物理状态都有密切的关系。源阻抗的不稳定，将使放大器电压增益不稳定从而造成难以修正的测量误差。所以只有较高的输入阻抗，才能确保增益的稳定性。设两个电极与皮肤的接触电阻为错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。，如果错误！未找到引用源。不等于错误！未找到引用源。，不可避免的就会把共模干扰信号转化为电路无法克服的差模信号．只有增大心电放大器的输入阻抗，才能减少其影响。

此外，由于心电放大器的测量对象是人体，易受工频、射频等干扰，只有提高输入阻抗，才能有效地抑制这些干扰。信号源阻抗一般在数K Ω至数十K Ω之间，心电放大器的输入阻抗应该比源阻抗高两个数量级，故一般取

5.1K Ω或10K Ω，才能不失真地引出心电信号。

4．高共模抑制比

电极与皮肤接触引起的极化电动势可作为直流共模干扰输入到心电放大器，其值可能达到数百毫伏的程度，远比心电信号大得多。而且心电信号的探测要受到现场很多电气设备运行时的干扰，尤其是市电的共模干扰，还有其他共模干扰常把微弱的心电信号淹没。共模抑制比(CMRR)是衡量心电放大器对共模干扰抑制能力的一个重要指标，也是克服温度漂移的重要因素。为了防止心电信号的输出被淹没在50Hz 、电极极化电压或其他共模干扰电压之下，一般要求CMMR 应达到80dB 以上。

5．低噪声，低漂移

在心电放大器中，由于增益较高，噪声和漂移是两个较重要的参数。心电放大器运行过程中的噪声主要表现为电子线路的固有热噪声和散粒噪声，这都属于白噪声，其幅值成正态分布。为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。所以在设计心电放大器时应尽量选用低噪声元件，以降低噪声并进一步提高输入阻抗。另外，温度变化会造成零点

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漂移，心电放大器基线漂电放大器的输入端引入了直流电压增益的缘故，电极和电极本身电阻的变化和电极电位的改变都会增大基线漂了放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法被放大很低的频率成分，为了能正常的测量，必须采取措施来限所以放大器应选用低漂移、高输入阻抗并具有高共模抑路。总的来说，动态心电图的心电放大器的设计有如下要求

(1)增益为800～lO00左右；

(2)频率响应为0.05～45Hz ：

(3)输入阻抗为5.1～10M Ω；

(4)共模抑制比大于80dB ；

(5)低噪声、低漂移。

另外，考虑到监护仪的便携特性，所以在选择运放应注意体积的特性，以便更好地降低整机的功耗和体积。

3.2电极的选择

电极对动态心电信号的采集的质量至关重要，采用电极应粘附力强、透气性好、吸汗、电极导电性能好的优质电极，此外还应具有对皮肤刺激性小、佩带舒适、拆卸方便等优点。本课题采用表面镀有AgCl 的可拆卸的一次软电极，并在电极上涂有优质的导电膏。

3.3保护与缓冲电路

为了确保病人的与仪器的安全，本课题利用TVS-90放电管作为保护电路，当仪器与人体接触时，电压过大时，会将TVS-90导通，直接接地，也防止了后面的器件损坏。电极采集到的心电信号首先进入缓冲级。缓冲级可以提高整个放大电路的输入阻抗，降低输出阻抗。这样就可以在后面的匹配电阻网络中得到幅值较高的信号。

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3.4 前置放大电路

生理电信号前置放大器是生理电测量仪器的重要组成部分，其作用是将微弱信号高保真放大，以便进一步处理、记录或显示。一般设计中均采用对地对称的双电极差动放大器，被测的生理电信号采用差动输入方式，成为差模信号；而干扰信号，尤其是落在大多数生物电信号频谱范围之内的工频干扰对差动放大器的输入端来说，主要是一种大小相等，极性相同的共模信号。因此，在生理电信号记录过程中，要求前置放大器有较高的抗共模干扰能力。

三运放仪用放大器是最常使用的生理电前置放大器。它不但可以提供很高的输入阻抗，而且如果第一级设为高增益，无须匹配就可以得到高共模抑制比。可以有效地抑制工频干扰等共模噪声。然而，在生理电测量中，由于电极在人体表面的安放部位不同使得电极与皮肤间的电阻抗也不同，导致在放大器的输入端有几毫伏以上的直流电压，加上人体表面各部位还存在一定的电位差，信号检测放大器的输入端总会存在比有用信号大几十倍的直流信号，这样就限制了“三运放”第一级的增益。从而限制了共模抑制比的进一步提高。

本设计采用的生物前置放大器电路结构简单，可以在抑制直流干扰的情况下，提供极高的共模抑制比。该电路设计突出的优点是对外围无源器件的参数不敏感，即使采用低成本的常用芯片，无须刻意匹配仍然可以达到良好的性能，尤其适合生理电信号的高精度测量。

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图3.2 前置放大电路

电路设计如图3.2所示。该电路由四部分构成：并联型双运放仪器放大器，阻容耦合电路，由集成仪用放大器构成的后级放大器和共模信号取样驱动电路。并联型双运放仪器放大器的优点是不需精密的匹配电阻，理论上它的共模抑制比为无穷大，且与其外围电阻的匹配程度无关。但并联型双运放仪器放大器的输出为双端差动输出信号，如果仅用单端输出信号时将不再具有这一优点。所以本电路在后级使用集成仪用放大器U4，将双端差动输出信号转换为常用的单端输出信号。集成仪用放大器具有较优良的性能，但由于其共模抑制比正比于差模增益，而同时器件存在较高的失调电压和通常信号源中存在较大的直流偏移电压(如检测生理电信号时的极化电压和传感器中的零点偏移电压) ，在直接应用集成仪用放大器作为前置放大器时并不取得最高的共模抑制比性能。于是本电路在后级使用集成仪用放大器，并采用阻容耦合电路隔离直流信号，因而可使得集成仪用放大器取得较高的差模增益，从而得到很高的共模抑制比性能。共模取样驱动电路由两个等值电阻错误！未找到引用源。和一只由运算放大器U2组成跟随器构成。由图可见，U2的输入信号取自U1和U3输出端两个串联电阻错误！未找到引用源。的中点电压错误！未找到引用源。，即：

当只有差模信号的输出错误！未找到引用源。=-错误！未找到引用源。时，有错误！未找到引用源。=O，则运放U2的输出电压为0，等同于接地；而当兼有共模电压和差模信号输入时，U2的总输出只包含输入信号的共模部分错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。。从而使得共模信号不经阻容耦合电路的分压直接加在集成放大器的输入端，避免了由于阻容耦合电路的不匹配而降低电路整体的共模抑制比。本电路的差动输出可以由下式计算：

其中错误！未找到引用源。是集成仪用放大器U4的差模放大倍数。

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该电路的高通截止频率错误！未找到引用源。可以表示为：

整个电路的共模抑制比错误！未找到引用源。可以由下式来计算：

其中错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。分别是放大器第一级和第二级的共模抑制比。错误！未找到引用源。由集成仪器放大器的共模抑制比决定。在第二级放大倍数比较高的情况下，错误！未找到引用源。的值可以达到120dB 以上。对错误！未找到引用源。的影响可以忽略。错误！未找到引用源。的值则可以由下式得到：

其中：错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。、错误！未找到引用源。3是运放U1、U3的开环差动增益和共模增益。上式显示为了得到较高的共模抑制比，第一级的两个运放无论是开环增益还是 CMRR 都应尽可能地匹配。在实际应用中，以廉价常用的精准仪用放大芯片OP07C 为例，其错误！未找到引用源。的标准值为400，000倍，CMRR 的标准值为120dB ，

以标准值来计算，错误！未找到引用源。。如果所选用高精度、匹配较好的运放，错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。的值还可以大幅度提高。

3.5 滤波电路

3.5.1低通滤波电路

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由于电磁干扰越来越严重，所以心电信号在采集过程中不仅有50Hz 的工频干扰和低频、直流分量的干扰，还有高于100Hz 高频谐波的严重干扰，有必要进行低通滤波电路的设计。

图3.3 低通滤波电路

3.5.2高通滤波电路

由于心电信号微弱，需要多级放大，而多级直接耦合的直流放大器虽能满足要求，但多级直接耦合的直流放大器容易引起基线飘移。此外，由于极化电压存在的缘故，动态心电图机的直流放大器更不能采用多级直接耦合。本装置中，在两级放大器之间采用RC 耦合电路，即时间常数电路，在隔离直流信号的同时达到高通滤波的效果。我们取时间常数约为3.2s ，这样可确定电阻、电容值，在两级之间组成高通滤波器。可得转折频率为：

图3.4 高通滤波电路

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3.6 右腿驱动电路

人体接地是造成触电事故的一个重要原因，因此取消人体接地是最根安全用电措施。人体接地本来就是在没有高质量的放大器情况下采取

少共模信号的应急措施。测量心电图时，如果病人右脚不接地，由于杂散分布电容的影响，病人身上将会产生很高的共模电压。因此，最理想的方法是设计出一种既能减少共模干扰又能取消人体接地的电路。右腿驱动的工作原理是将由人体体表获得的共模电压通过负反馈放大的方式输回人体，从而达到抵消共模干扰的作用，从根本上抑制共模电压。

图3.5 右腿驱动电路

3.7电平提升电路

经过模拟电路放大滤波后的心电信号是交流信号，而MSP430系列单片机的转换范围是正电压信号，所以有必要将模拟信号抬升至0V 以上，根据对MSP430单片机的参考电压设置为2.5V 的情况，在后级设置一定的可调

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放大倍数，并使用微型电位器，以便根据实际需要进行调整。

图3.6 电平提升电路

3.8 导联脱落检测报警电路

患者在使用心电监护仪时有可能发生导联松动和脱落，这将引入很大的干扰，导致心电波形畸变，使得心电监护终端难以输出实际波形，从而导致对心电信号的错误判断，影响诊断结果。

正常情况下，正负电极对人体皮肤形成的极化电压可以相互抵消，当一侧电极脱落时，将有较大的极化电压输入，经过前置放大后的电压将远远超过正常连接时的电压范围。因而可通过一个窗口比较器，当电压超出窗口范围时，认为发生电极脱落，比较器输出电平由正常时的高电平变为低电平，产生报警信号。电路如图3.7所示，当导联脱落时，红色指示灯会亮起提示脱落。

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图3.7导联脱落检测报警电路

3.9本章小结

本章详细介绍了心电信号的采集与处理过程，根据前一章所述的心电信号的特点和噪声干扰，提出前置放大器的设计要求，给出了详细的设计方案，对各个模块电路的功能做了详尽的阐述。

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第4章控制、存储及接口电路设计

4.1 中央处理器及其外围模块

4.4.1芯片的选型

本系统的核心器件无疑是负责调配各外围部件有序工作的微处理器。在电子技术高速发展的今天，市场上可供选择的处理器有很多种，最常见的有单片机、DSP 、PLC 、ARM 等。处理器的选择不仅要看其处理能力，还要考虑其他一些因素，比如价格、功耗等。经过对几种嵌入式平台的比较，本系统病人心电监护终端硬件核心处理器采用美国德州仪器公司生产的低功耗16位单片机MSP430F149。MSP430具有如下特点：

首先，它的突出优势是功耗小。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。它在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 。MSP430可通过两个不同的系统时钟系统——基本时钟系统和锁频环(FLL和FLL+)时钟系统或DCO 数字振荡器时钟系统产生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。系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式．(LPMO、LPM4) 。在等待方式下，耗电为0.7uA ，在节电方式下，最低可达0.1uA 。

第二，除了低功耗之外，MSP430还具有强大的处理能力，其芯片具有一个16位精简结构指令CPU ，10个16位的寄存器以及常数发生器，能够最大限度的提高代码的效率。数字控制的振荡器(DCO)将CPU 从低功耗模式唤醒的时间仅为6微秒。MSP430F449采用RISC 精简指令集，125ns 指令周期，大部分的指令在一个指令周期内完成，且其片内含有硬件乘法器，大大节省了运算的时间。

第三，MSP430具有丰富的片内外围电路，它内置12位高性能A/D转换器、两个带有捕获计时寄存器的16位定时器、60KB 的FLASH ROM、2KB

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的RAM 、48个可复用I/O引脚和两个通用同步/异步串行通讯接口等。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。除此之外，MSP430F149开发平台提供了方便高效的开发环境。由于它属于FLASH 型器件，相对于OPT 型和ROM 型的器件，它有JTAG 调试接口，还有可擦写的FLASH 存储器，可先下载程序到FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行。采用这种方式只需要一台PC 机和一个JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。

图4.1 MSP430系列单片机的系统结构框图

MSP430系列由以下部分组成：

●基础时钟模块，包括1个数控振荡器(DCO)和2个晶体振荡器。 ●看门狗定时器Watchdog Timer，可用作通用定时器。

●带有2个捕捉／比较寄存器的16位定时器Timer_A3。

●带有7个捕捉／比较寄存器的16位定时器Timer_B7。

●2个具有中断功能的8位并行端口：P1与P2。

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●4个8位并行端口：P3、P4、P5与P6。

●模拟比较器Comparator_A。

●12位A ，D 转换器ADCl2。

●2个串行通信接口：USART0与USART1。

●1个硬件乘法器。

4.4.2 ADC采样模块

根据系统要求，在考虑所要采集信号范围、采样频率、精度要求、转换速率、环境条件、计算机接口特征及成本的前提下，本系统中采用MSP430F149内部集成的ADC 12模块进行A ／D 转换。

ADCl2内核是一个带有采样与保持功能的12位转换器；内部参考电压发生器，同时有两种参考电压值可供选择；采样与转换过程中所需要的时钟信号源可以选择；采样及转换所需的时序控制电路；转换结果有专门的桶型缓存；采样速度快，最高可达200kbps ；12位转换精度，l 位非线性微分误差，1位非线性积分误差；内置采样与保持电路；有多种时钟源可提供给ADCl2模块，而且模块本身内置时钟发生器；内置温度传感器；配置有8路外部通道与4路内部通道；内置参考电源，而且参考电压有6种可编程的组合；模数转换有4种模式。可灵活地运用以节省软件量及时间；ADCl2内核可关断以节省系统消耗例。

ADCl2可以对8个外部模拟信号之一或4个内部电压之一作转换，由ADC 内核把模拟信号转换成12位数据并存入转换存储寄存器。ADCl2内核使用两个可编程的参考电压(错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。) 作为转换范围的上下限。输入通道和参考电平由转换存储控制寄存器定义。

ADCl2工作时可以用内部参考电平，或者外部参考电平，也可以是两者的结合，ADCl2有内部的两种参考电平，可以选择1.5V 或2.5V 。为避免电源电压波动对A/D转换造成干扰，我们采用了内部参考电压1.5V ，提高精度。对于ADCl2的转换时钟，用户有各种选择来形成采样的时序。

ADCl2可以选择所有有效的MSP430片内时钟，也可以选择一个外围模块所含的时钟，此处选择的时钟为低频时钟，可以节省功耗。对于选择的

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时钟源可以引入一个1～8的分频因子。

4.4.3 定时器

定时器在单片机系统中是非常重要的部分，它在事件控制与管理方面有着重要的应用。MSP430F149主要有看门狗（WDT ）、基本定时器（Basic Timer1）、定时器A(Timer_A)和定时器B(Timer_B)等模块。在本系统软件设计中，我们使用Timer_A作为了心电信号AD 转换的定时器，将定时周期设定为500Hz ，实现了对心电信号的500Hz 采样率。

定时器A 是一个16位的定时/计数器。它有3个捕获/比较寄存器。定时器A 能支持多个时序控制、多个捕获/比较功能和多个PWM 输出。定时器A 有广泛的中断功能，中断可以由计数器溢出产生，也可以由捕获/比较寄存器产生。

定时器A 有以下的特点：

●16位的计数/定时器，共有4种模式。

●可以选择设置时钟源。

●多个捕获/比较寄存器。

●异步的输入/输出锁存。

●具有中断向量寄存器，能快速译码定时器A 产生的中断。

用户对定时器A 的所有操作都是通过操作该模块的寄存器完成的。定时器A 的寄存器主要有TACTL 、TAR 、TAIV 、CCTLn 和CCRn 。

4.2 USB数据传输

要实现数据的大量存储，需要将数据上传至上位机。USB 接口是近年来迅速发展的接口标准，目前几乎所有的新型计算机的外设上都使用USB 接口，它有数据传输速度快、连接简单、兼容性好等特点。考虑NUSB 接口的先进性以及目前使用的广泛性，本系统使用USB 接口实现数据通信就完全可以满足系统的要求。

考虑到单片机芯片具有RS232接口，此处我们通过一种RS232转USB 的芯片——CP2101来实现传输功能。

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CP2101是一种单芯片USB 转UART 的桥接器解决方案。该芯片包含一个USB2．0全速功能控制器EEPROM ，缓冲器和带有调制解调器接口信号的异步串行数据总线。CP2101的UART 接口包括TX(发送) 和RX(接收) 数据信号以及RTS ，CTS ，DSR ，DTR ，DCD 和RI 控制信号。

CP2101具有很多的优点：

(1)高度集成。片内集成512字节EEOROM(用于存储厂家ID 等数据) ，片内集成收发器、无需外部电阻；片内集成时钟，无需外部晶体。

(2)低成本，可实现USB 转串口的解决方案。CP2101的USB 功能无需外部元件，而大多数竞争者的USB 器件则需要额外的终端晶体管、上拉电阻、晶振和EEPROM 。具有竞争力的器件价格，简化的外围电路，无成本驱动支持使得CP2101在成本上的优势远超过竞争者的解决方案。

(3)具有低功耗、高速度的特性，符合USB2．0规范，适合于所有的UART 接口(波特率为300bps ～921.6kbps) 。工业级温度范围为-40℃～85℃。

(4)具有较小的封装。CP2101为28脚5mmx5mmMLP 封装。这在PCB 上的尺寸就比竞争对手小30％左右。

MSP430F149有两个串行口，此处使用串行口1与CP2101连接，CP2101有个集成的内部振荡器和USB 收发器，所以无需其它外部USB 电路组件。连线图如图4.2所示：

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图4.2 CP2101电路图

4.3数据存储

24小时采集的心电信号数据量计算如下：采样率500点/s，每个点用8位表示．则数据量为错误！未找到引用源。。这样大的数据量可以采用Flash 或者移动存储卡的形式存储。考虑到SD 卡能用读卡器直接读入PC 机，所以将SD 卡作为存储设备。

SD 卡(Secure Digital Memory Card) 是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，由松下、东芝和SanDisk 公司共同开发研制，体积小，但拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性和很好的安全性。SD 卡集合了SanDisk 快闪记忆控制和MLC(Multilevel Cell) 技术和东芝NAND 技术，通过9针的接口与专门的驱动器相连接，不需额外的电源来保持其上的记忆信息。传输速率高达20MB/S，并且具有物理写保护开关，保证数据的安全性。

SD 存储卡定义了两种可选择的通信协议：SD 模式和SPI 模式。主机能自动选择其中任意～种模式。当接收到主机的复位指令后，卡能检测到主机要求的模式，并在这种通信模式下进行下一步的通信。

SD 通信协议又分为1位总线模式和4位总线模式。最新的SDIO 卡规范规定高速I/O卡必须支持SD 存储卡的所有通信模式。

SPI 接口协议首先是由Motorola 公司提出来的，现在广泛存在于各类微型控制器中。SPI 总线系统是一种同步串行外设接口，允许MCU 与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换。SPI 系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，SPI 系统一般使用4条线：串行时钟线CLK 、主机输入/从机输出数据线MISO 、主机输出/从机输入数据线MOSI 和低电平有效的从机片选线CS 。模块电路图如图4.3所示。

CLK 、MISO 、MOSI 和CS 四线构成SPI 通讯接口，分别与单片机MSP430F149的P3.0-P3.3口相连，因为这四个端口有第二复用功能，即SPI 接口。另外CD(Card Detect)和WP(Write Protect)都是SD 卡槽自带的硬件功

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能(部分卡槽不带此功能) ，将它们分别与单片机的P1.0和P1.1口相连，用于检测当前SD 卡是否插入，以及写保护是否打开，然后将这些状态通过液晶界面显示出来，供用户选择。本设计具体采用金士顿1GB 的SD 卡作为存储设备，它在容量和功耗上完全满足设计需求。

图4.3 SD 卡连接电路图

4.4时钟日历芯片

时间是心电信号分析中一个很重要的参考项, 所以时间对本系统来说是一个非常关键的参数。为了给医生诊断提供详细的心电数据和资料，我们必须记录下各段心电信基于MSP430超低功耗MCU 的便携式心电监护仪及其系统的研究；因此我们在系统中加入了实时时钟芯片X1208，它是一个SOP 封装的8脚的芯片, X 体积仅为5mmX4.9mm 。X1208是Xicor 公司生产的低功耗CMOS 型实时时钟集成电路。双端口时钟和报警寄存器可使时钟即使在读写操作期间也能精确地工作。它通过I2C 总线方式可与各种单片机接口，具有日历、时钟、计时，可编程定时中断等功能，并提供闰年校正。它有两个独立的闹钟，报警可按秒、分、时、日、月及星期设置。报警输出可作中断请求信号。工作电源及备份电池电源都有宽的电压范围。X1208是标

章及标题

准的I2C 总线接口，具有操作简单的特点。

4.5液晶显示

液晶是介于液体和晶态固体之间的一种各向异性凝聚流体，它既像液体那样具有流动性，又像晶体那样具有光学上的各向异性。从微观结构看，液晶材料的分子形状都是各向异性的，并且具有固有电矩，所以有极性。当受到外电场的作用时，液晶会发生湍流。撤除电场后，分子长轴又重新平行排列起来，沿该方向又恢复透明。我们正是利用液晶的这种效应显示图像和字码的。

液晶显示屏(LCD)是由不同部分组成的分层结构。显示屏由两块玻璃板构成，其间由包含有液晶材料的均匀间隔隔开。液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板和反光膜。背光板是由荧光物质组成的可以反射光线。它的作用主要是提供均匀的背景光源。当LCD 中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。

液晶显示屏一般分为段式和点阵式。点阵式中的点相当于段式中的段，由于点很多，可以显示更为复杂的内容。在本监护终端设计中，我们采用了RTl2864CT 点阵式液晶显示器显示菜单和心电波形。 RTl2864CT点阵式液晶显示器(LCD)是一个128×64点阵显示模块，它的外形尺寸为54．0ram ×50．0mm ×7．5mm ，具有体积小、质量轻、功耗低等优点。它是STN 黄绿模式，EL 背光，可以完成图形显示也可以显示汉字。液晶显示器具有8位标准数据总线，6位控制线以及电源线，背光亮度可以通过电位器来调节。液晶显示器LCD 与单片机的连接电路如图4.4所示。

液晶显示控制模块中使用RS ，R/W，E ，CS1，CS2作为与MSP430数据总线接口的控制信号。RS 是数据／指令控制信号，它控制存取的方式，可实现读写指令或接受数据。R/W是读写控制信号，高电平时液晶显示器工作在读模式，低电平时工作在写模式。CS1、CS2是片选信号，高电平有效，控制液晶的左右半屏显示，当CS1为高电平时，液晶左半屏显示；当CS2为高

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电平时，液晶右半屏显示。系统中所使用的RTl2864CT 液晶显示器内置有DC/DC转换模块，所以不用另外发生调节液晶对比度所需的负压，直接从电源分压即可得到驱动LCD 所需的电压值。

图4.4 LCD显示接口单元

4.6 本章小结

本章设计制作单片机外围电路，包括USB 接口电路、存储电路、液晶显示电路等，构成心电存储及显示部分。

此设计以MSP430系列单片机MSP430F149微处理器为核心器件，自带A ／D 转换器，完成了数据采集与转换功能；扩展了USB 接口，完成了传输功能。选择1GB 的SD 卡，完成了数据的存储功能；扩展了液晶显示器，完成数据显示功能。

章及标题

结论

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章及标题

参考文献

1 胡大可．MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用．北京：航空航天大学出版社，2003，20～50

2 秦龙．MSP430单片机C 语言应用程序设计实例精讲．北京：电子工业出版社，2006，150～156

3 康华光．电子技术基础(模拟部分) ，高等教育出版社，1989

4 米昶，董峰，解统燕等．Protel DXP 电路设计基础教程，北京：机械工业出版社，2004.6

5 张小琴，祖静，张瑜．基于MSP430单片机的实时数据采集系统设计．太原：中北大学，2008.6

6 余学飞．现代医学电子仪器原理与设计．广州：华南理工大学出版社 2007.9

7 彭勇．医学生理学．秦皇岛：燕山大学，2006.6

8黄磊，万遂人，冒懋．基于MSP430的便携式无线心电监护仪的设计东南大学生物科学与医学工程学院；皖南医学院生物医学工程教研 2008.8 9 刘圹彬，王志巧，刘函琳等．基于MSP430F247嵌入式单片机的无线心电监护系统．成都：四川大学电气信息学院，2008,8

10 袁媛，沈小林，王忠庆．基于MSP430心电信号数据采集与传输分析．太

原：中北大学电气工程系，2009.1

11 朱大缓．非接触式心电检测系统的研究．成都：西南交通大学，2008.6 12 李刚等．新型的高性能生物电放大器．北京：电子产品世界，2002， 13 姜苇等．新型高共模抑制比生理电信号前置放大器设计的研究．仪器仪

表学报，2003，8(24)

14 秦龙，张小平，王渝梅．基于MSP430F149实现的心电信号采集存储传输

系统．重庆通信学院，解放军78088部队网关中心，2005.3

15 王伟，李章勇．动态心电监护仪中心电信号采集与无线收发系统的设计

重庆：重庆邮电学院，2006.2

燕山大学本科生毕业设计（论文）

16 余学飞．医学电子仪器原理与设计．广州：华南理工大学出版社，2006.3 17 王磊。低功耗便携式心电仪设计与研制．哈尔滨：哈尔滨工程大学，

2007.3

18 陈真诚．基于MSP430单片机的便携式动态心电监护仪研制．长沙：中南

大学，2009.5

19 周立功等．USB2.0与OTG 规范及开发指南．北京：北京航空航天大学出

版社，2004

20 张迪．社区医疗心电远程实时监护系统的研究开发．北京：北京工业大

学，2009.5

21 王保华．生物医学测量与仪器．上海：复旦大学出版社，2003

22 林家瑞．微机式医学仪器设计．武汉：华中科技大学出版社，2004： 23林美善．基于蓝牙通信的心电采集系统的设计．北京：北京邮电大学，

2009.2

24 TlComPany.MSP43OFamilyAssemlyProgrammer’5Guide.TEXAS

INSTRUMENTS.1995.04

25 TlCompany.ArehiteetureUser’5GuideandModuleLibrary.TEXAS

INSTRUMENTS.1995:64～71

26 EPSON ．S1D13700 Embedded Memory Graphics LCD Controller Hardware

Functional Specification，2004

27 TEXAS INSTRUMENTS．MSP430xlxx Family User Guide，2006

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致谢

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章及标题

附录1

[单击此处输入附录1的内容（宋体、小四号字, 行距20磅）]

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附录2

[单击此处输入附录2的内容（宋体、小四号字, 行距20磅）]

燕山大学毕业设计（论文）评审意见表

燕山大学毕业设计（论文）答辩委员会评语表

本科毕业设计（论文）

心电信号采集及分析系统设计

谭莹莹

燕山大学

2010年6月

本科毕业设计（论文）

心电信号采集及分析系统设计

学院（系）：里仁学院电气工程系

专业：生物医学工程

学生姓名：谭莹莹

学号：[1**********]2

指导教师：李昕

答辩日期：2010年6月

燕山大学毕业设计（论文）任务书

章及标题

摘要

本课题采用MSP430149单片机作为核心器件，主要完成对心电信号的24小时不间断采集、传输、存储、显示等功能。

关键词心电信号；动态心电图；MSP430单片机

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Abstract

This subject uses msp430 single chip as the core device. The whole system mainly displays collection, storage, transport, display function for 24-hour uninterrupted ECG signal collection.

Keywords ECG signal；dynamic electrocardiogram （DCG ）；Holter ；

msp430；

章及标题

摘要 ........................................................... I Abstract ...................................................... I I

目录 ........................................................... 2

第1章绪论 .................................. 错误！未定义书签。

1.1 课题研究意义 . .......................... 错误！未定义书签。

1.2国内外研究现状与文献综述 . .............. 错误！未定义书签。

1.3设计主要研究内容与系统总体设计 . ........ 错误！未定义书签。

第2章心电图的产生和特征 ..................... 错误！未定义书签。

2.1 体表心电图 ............................ 错误！未定义书签。

2.2 心电的产生 ............................ 错误！未定义书签。

2.3 各波形的意义 .......................... 错误！未定义书签。

2.4 常见的心律异常类型及特征 .............. 错误！未定义书签。

2.5 心电图的导联 .......................... 错误！未定义书签。

2.6 心电信号的特征 ........................ 错误！未定义书签。

2.7 心电信号常见干扰 ...................... 错误！未定义书签。

2.8 本章小结 .............................. 错误！未定义书签。

第3章心电检测电路设计 ........................................ 2

3.1 心电信号放大器设计要求 ................................. 2

3.2 电极的选择 ............................................. 4

3.3 保护与缓冲电路 ......................................... 4

3.4 前置放大电路 ........................................... 5

3.5 滤波电路 ............................................... 7

3.5.1 低通滤波电路 ....................................... 8

3.5.2 高通滤波电路 ....................................... 8

3.6 右腿驱动电路 ........................................... 8

3.7 电平提升电路 ........................................... 9

3.8 导联脱落检测报警电路 .................................. 10

燕山大学本科生毕业设计（论文）

3.9 本章小结 .............................................. 10

第4章控制、存储及接口电路设计 ............................... 11

4.1 中央处理器及其外围模块 ................................ 11

4.1.1 芯片的选型 ........................................ 11

4.1.2 ADC模块 . .......................................... 11

4.1.3 定时器 ............................................ 11

4.2 USB数据传输 . .......................................... 14

4.3 数据存储 .............................................. 16

4.4 时钟日历芯片 .......................................... 17

4.5 液晶显示 .............................................. 18

4.6 本章小结 .............................................. 19

结论 .......................................................... 20

参考文献 ....................................................... 3

致谢 ........................................................... 4

附录1 . ......................................................... 5

附录2 . ......................................................... 6

章及标题

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第3章心电检测电路设计

3.1 心电信号放大器设计要求

由于人体的心电信号有微弱、低频、易受干扰、不稳定、随机等特点，因此对动态心电图的心电放大器的设计有很苛刻的要求。

1．增益

2．频率响应

3．高输入阻抗

章及标题

5.1K Ω或10K Ω，才能不失真地引出心电信号。

4．高共模抑制比

5．低噪声，低漂移

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(1)增益为800～lO00左右；

(2)频率响应为0.05～45Hz ：

(3)输入阻抗为5.1～10M Ω；

(4)共模抑制比大于80dB ；

(5)低噪声、低漂移。

另外，考虑到监护仪的便携特性，所以在选择运放应注意体积的特性，以便更好地降低整机的功耗和体积。

3.2电极的选择

3.3保护与缓冲电路

章及标题

3.4 前置放大电路

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图3.2 前置放大电路

其中错误！未找到引用源。是集成仪用放大器U4的差模放大倍数。

章及标题

该电路的高通截止频率错误！未找到引用源。可以表示为：

整个电路的共模抑制比错误！未找到引用源。可以由下式来计算：

其中：错误！未找到引用源。

3.5 滤波电路

3.5.1低通滤波电路

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图3.3 低通滤波电路

3.5.2高通滤波电路

图3.4 高通滤波电路

章及标题

3.6 右腿驱动电路

人体接地是造成触电事故的一个重要原因，因此取消人体接地是最根安全用电措施。人体接地本来就是在没有高质量的放大器情况下采取

图3.5 右腿驱动电路

3.7电平提升电路

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放大倍数，并使用微型电位器，以便根据实际需要进行调整。

图3.6 电平提升电路

3.8 导联脱落检测报警电路

章及标题

图3.7导联脱落检测报警电路

3.9本章小结

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第4章控制、存储及接口电路设计

4.1 中央处理器及其外围模块

4.4.1芯片的选型

第三，MSP430具有丰富的片内外围电路，它内置12位高性能A/D转换器、两个带有捕获计时寄存器的16位定时器、60KB 的FLASH ROM、2KB

章及标题

图4.1 MSP430系列单片机的系统结构框图

MSP430系列由以下部分组成：

●基础时钟模块，包括1个数控振荡器(DCO)和2个晶体振荡器。 ●看门狗定时器Watchdog Timer，可用作通用定时器。

●带有2个捕捉／比较寄存器的16位定时器Timer_A3。

●带有7个捕捉／比较寄存器的16位定时器Timer_B7。

●2个具有中断功能的8位并行端口：P1与P2。

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●4个8位并行端口：P3、P4、P5与P6。

●模拟比较器Comparator_A。

●12位A ，D 转换器ADCl2。

●2个串行通信接口：USART0与USART1。

●1个硬件乘法器。

4.4.2 ADC采样模块

ADCl2可以选择所有有效的MSP430片内时钟，也可以选择一个外围模块所含的时钟，此处选择的时钟为低频时钟，可以节省功耗。对于选择的

章及标题

时钟源可以引入一个1～8的分频因子。

4.4.3 定时器

定时器A 有以下的特点：

●16位的计数/定时器，共有4种模式。

●可以选择设置时钟源。

●多个捕获/比较寄存器。

●异步的输入/输出锁存。

●具有中断向量寄存器，能快速译码定时器A 产生的中断。

用户对定时器A 的所有操作都是通过操作该模块的寄存器完成的。定时器A 的寄存器主要有TACTL 、TAR 、TAIV 、CCTLn 和CCRn 。

4.2 USB数据传输

考虑到单片机芯片具有RS232接口，此处我们通过一种RS232转USB 的芯片——CP2101来实现传输功能。

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CP2101具有很多的优点：

(1)高度集成。片内集成512字节EEOROM(用于存储厂家ID 等数据) ，片内集成收发器、无需外部电阻；片内集成时钟，无需外部晶体。

(3)具有低功耗、高速度的特性，符合USB2．0规范，适合于所有的UART 接口(波特率为300bps ～921.6kbps) 。工业级温度范围为-40℃～85℃。

(4)具有较小的封装。CP2101为28脚5mmx5mmMLP 封装。这在PCB 上的尺寸就比竞争对手小30％左右。

MSP430F149有两个串行口，此处使用串行口1与CP2101连接，CP2101有个集成的内部振荡器和USB 收发器，所以无需其它外部USB 电路组件。连线图如图4.2所示：

章及标题

图4.2 CP2101电路图

4.3数据存储

SD 通信协议又分为1位总线模式和4位总线模式。最新的SDIO 卡规范规定高速I/O卡必须支持SD 存储卡的所有通信模式。

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图4.3 SD 卡连接电路图

4.4时钟日历芯片

章及标题

准的I2C 总线接口，具有操作简单的特点。

4.5液晶显示

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图4.4 LCD显示接口单元

4.6 本章小结

本章设计制作单片机外围电路，包括USB 接口电路、存储电路、液晶显示电路等，构成心电存储及显示部分。

章及标题

结论

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章及标题

参考文献

1 胡大可．MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用．北京：航空航天大学出版社，2003，20～50

2 秦龙．MSP430单片机C 语言应用程序设计实例精讲．北京：电子工业出版社，2006，150～156

3 康华光．电子技术基础(模拟部分) ，高等教育出版社，1989

4 米昶，董峰，解统燕等．Protel DXP 电路设计基础教程，北京：机械工业出版社，2004.6

5 张小琴，祖静，张瑜．基于MSP430单片机的实时数据采集系统设计．太原：中北大学，2008.6

6 余学飞．现代医学电子仪器原理与设计．广州：华南理工大学出版社 2007.9

7 彭勇．医学生理学．秦皇岛：燕山大学，2006.6

10 袁媛，沈小林，王忠庆．基于MSP430心电信号数据采集与传输分析．太

原：中北大学电气工程系，2009.1

表学报，2003，8(24)

14 秦龙，张小平，王渝梅．基于MSP430F149实现的心电信号采集存储传输

系统．重庆通信学院，解放军78088部队网关中心，2005.3

15 王伟，李章勇．动态心电监护仪中心电信号采集与无线收发系统的设计

重庆：重庆邮电学院，2006.2

燕山大学本科生毕业设计（论文）

16 余学飞．医学电子仪器原理与设计．广州：华南理工大学出版社，2006.3 17 王磊。低功耗便携式心电仪设计与研制．哈尔滨：哈尔滨工程大学，

2007.3

18 陈真诚．基于MSP430单片机的便携式动态心电监护仪研制．长沙：中南

大学，2009.5

19 周立功等．USB2.0与OTG 规范及开发指南．北京：北京航空航天大学出

版社，2004

20 张迪．社区医疗心电远程实时监护系统的研究开发．北京：北京工业大

学，2009.5

21 王保华．生物医学测量与仪器．上海：复旦大学出版社，2003

22 林家瑞．微机式医学仪器设计．武汉：华中科技大学出版社，2004： 23林美善．基于蓝牙通信的心电采集系统的设计．北京：北京邮电大学，

2009.2

24 TlComPany.MSP43OFamilyAssemlyProgrammer’5Guide.TEXAS

INSTRUMENTS.1995.04

25 TlCompany.ArehiteetureUser’5GuideandModuleLibrary.TEXAS

INSTRUMENTS.1995:64～71

26 EPSON ．S1D13700 Embedded Memory Graphics LCD Controller Hardware

Functional Specification，2004

27 TEXAS INSTRUMENTS．MSP430xlxx Family User Guide，2006

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致谢

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章及标题

附录1

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附录2

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燕山大学毕业设计（论文）答辩委员会评语表

心电信号采集及分析系统设计

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