摘 要： 提出了一種基于TI公司MSP430的動態(tài)心電圖采集系統(tǒng)設計方案，并從硬件和軟件兩方面介紹了電路的設計概況。其中前端模擬放大部分采用儀表運放INA321。存儲部分使用SD卡，并在SD卡上實現(xiàn)了FAT16文件系統(tǒng)，可以方便地將數(shù)據(jù)轉存并顯示到PC機上，在PC機上實現(xiàn)了心電圖QRS波群的識別和自動檢查。
關鍵詞： MSP430；SD卡；FAT文件系統(tǒng)；心電信號處理
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動態(tài)心電圖是指連續(xù)記錄24小時或更長時間的心電圖，它已經(jīng)成為臨床上廣泛應用的無創(chuàng)性心血管病診斷手段之一。尤其是常規(guī)心電圖檢查正常，但有心臟病癥狀或心率變化與癥狀不相符時，可以作為首選的無創(chuàng)檢查方法。此方法為美國人Holter發(fā)明，所以又稱為Holter。由于資金、技術等因素，Holter系統(tǒng)在我國并未得到普及，因此研制一種能夠記錄24小時全程心電圖的低功耗、便攜式心電圖記錄系統(tǒng)十分必要。
目前該類產品存在的主要問題在功耗和容量等方面[1]。市場上的動態(tài)心電記錄系統(tǒng)普遍采用51系列或DSP，其功耗很大，不能滿足24小時連續(xù)記錄的要求。MSP430具有優(yōu)勢，它自帶12位AD轉換和液晶顯示，在圖1中虛線框中的模塊都是MSP430自帶的，其集成化程度高，更有利于實現(xiàn)低功耗和便攜式。因此采用MSP430和SD卡的動態(tài)心電采集系統(tǒng)十分合適[2]。
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1 系統(tǒng)的硬件結構和工作原理
1.1 MSP430 芯片介紹
美國德州儀器公司推出的MSP430系列超低功耗16位混合信號處理器，以16位RISC處理器、超低功耗、豐富的片內外設、JTAG仿真調試定義了新一代單片機的概念。本系統(tǒng)采用的MSP430FG4618是一款優(yōu)秀的片上系統(tǒng)，它自帶12位AD轉換、3個可編程運放、12位DA同步轉換器、160段LED驅動以及UART、SPI、I2C等豐富的外設接口，給系統(tǒng)設計提供了很大的方便。
1.2 系統(tǒng)整體流程介紹
系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件主要由三部分組成：模擬放大部分、MSP430主處理部分和SD卡存儲部分。系統(tǒng)的工作流程為：由導聯(lián)電極采集人體表面微弱的心電信號，經(jīng)由儀表運放INA321初步放大，再通過50Hz陷波器濾除工頻干擾；主運放采取MSP430內部的可編程運放，放大100倍，滿足AD轉換的電壓要求；AD轉換結果經(jīng)過數(shù)字濾波消除一些高頻干擾后，一方面直接將數(shù)據(jù)存入SD卡，另一方面通過設定閾值判斷QRS波群的到來，由兩次波群的采樣間隔計算出心率，經(jīng)由LCD顯示。
系統(tǒng)中AD轉換采用MSP430自帶的12位AD，采樣點數(shù)設定為500點/s，這樣的采樣速率有利于工頻干擾的數(shù)字濾波；MSP430FG4618自帶160段液晶驅動，最多可以帶20位的數(shù)碼顯示；根據(jù)實際需要選用4位的數(shù)碼顯示；存儲系統(tǒng)采用1GB的金士頓SD卡，完全滿足數(shù)據(jù)量和存儲速度的需要。
1.3 模擬部分電路
儀表運放采用TI公司的INA321，其默認放大倍數(shù)為5倍。因為人體皮膚接觸電阻大、共模電壓高等因素，前級運放放大倍數(shù)不能太大，否則容易引起飽和，因此設定其放大倍數(shù)為5。模擬部分電路如圖2所示。其中點1接參考電壓1.5V，能保證輸出點3的參考電壓也為1.5V。U2和INA321組成一個積分電路，可以消除由于采集過程中皮膚接觸阻抗變換引起的基線漂移[2]。U3和R7、C4等電容網(wǎng)絡組成了低通和陷波電路，其增益為500倍，能將微弱的信號放大到AD轉換需要的1V電壓。
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模擬部分整體電路在Multisim10仿真圖形波形中，可以看出此電路的性能完全符合后級AD轉換要求。
1.4 心電信號的存儲設備SD卡
24小時采集的心電信號數(shù)據(jù)量計算如下：采樣率500點/s，每個點用8位表示，則數(shù)據(jù)量為24×3 600×500=43.2MB。這樣大的數(shù)據(jù)量可以采用Flash或者移動存儲卡的形式存儲。考慮到SD卡能用讀卡器直接讀入PC機，所以將SD卡作為存儲設備，具體采用金士頓1GB的SD卡作為存儲設備，它在容量和功耗上完全滿足設計需求。
2 系統(tǒng)軟件設計和工作流程
AD轉換后的數(shù)據(jù)須經(jīng)過數(shù)字濾波消除高頻干擾，再對數(shù)據(jù)分別進行心率計算和存儲。由于MSP430自帶硬件乘法器，因此可以在芯片內部實現(xiàn)簡單整系數(shù)數(shù)字濾波，以提高心率計算的準確度。在存儲時要滿足FAT16文件系統(tǒng)要求，將FAT表、根目錄、數(shù)據(jù)區(qū)等相應位置寫入數(shù)值，以便PC機讀取采集到的心電數(shù)據(jù)。其工作流程如圖3所示。
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SD卡的讀寫方式有SD方式和SPI方式，這里選擇SPI方式。SD卡上的文件系統(tǒng)基本單位是扇區(qū)，格式化時由操作系統(tǒng)將每個扇區(qū)設置為512B，則采集時也要在MSP430內部設置一個512B的緩沖區(qū)，寫滿后一次性寫入SD卡。由于采樣間隔只有2ms，這就要求在2ms內能將一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)寫入卡內，不然就會造成數(shù)據(jù)的丟失?？梢栽O置SPI總線的時鐘頻率在8MHz，則存儲512B的數(shù)據(jù)需要0.5ms，滿足實時性要求。
3 FAT文件系統(tǒng)原理
SD卡內部存儲空間以扇區(qū)為單位，每扇區(qū)512B。在進行格式化時由操作系統(tǒng)決定了每簇含扇區(qū)的個數(shù)、保留扇區(qū)的個數(shù)、FAT表的位置和根目錄的位置等信息。然后將這些信息寫到SD卡的第一個扇區(qū)。
在卡上建立文件必須讀取第一個扇區(qū)的內容，并由此計算出各個偏移地址。首先計算出FAT表的位置，并將第一頁FAT表讀入，并檢查是否有空簇。若有則記錄其偏移地址并寫到根目錄相應文件屬性中；否則順序讀取下個FAT頁面，繼續(xù)查找直到最后一個FAT頁。在根目錄中每個文件占32B，內容包括文件名、擴展名、文件起始簇所在位置、文件隱藏歸檔等屬性。
FAT文件系統(tǒng)的結構如圖4所示。
因為心電數(shù)據(jù)是不斷采集的，所以文件的大小也是不斷增加的，這就是說在建立文件時不可能設定最終的文件大小，要求程序能不斷申請新簇，然后相應修改文件大小。
4 上位機軟件設計
將采集到的心電信號存儲在SD卡上，通過讀卡器讀入PC機中。先進行預處理，經(jīng)過低通濾波消除工頻干擾、中值濾波消除基線漂移后的結果如圖5所示。
從預處理后的波形可以看出，在采集過程中產生的基線漂移和50Hz工頻干擾都被消除了，得到的波形完全能反映被測者的心電特征，滿足后級處理的要求。
上位機軟件同時還有QRS波群的識別功能。算法上采用基于導數(shù)的測量方法。首先對預處理后的波形進行一階差分并圖像增強，這樣R波的特征會更加明顯；然后對差分信號進行過零檢測，可以判斷出R波的位置；接下來在R波峰位置向前向后分別檢測，即可找出Q、S波的起始位置。
大量實驗結果顯示，所采集到的ECG圖像完整，能夠滿足臨床診斷精度要求，從而說明采用MSP430和SD卡實現(xiàn)Holter采集系統(tǒng)的方案是可行的。同時，由于此算法的識別成功率較高，因此采用基于導數(shù)的QRS波群識別算法。實驗結果說明，采用此算法完全可以滿足后級處理要求。在后級處理中對各個波峰中間采樣點數(shù)進行了統(tǒng)計分析，并計算出心電圖中的各個時間參數(shù)，如P-Q、Q-R時間等參數(shù)，可以作為實際診斷的重要依據(jù)。
本文的創(chuàng)新點：(1)采用TI公司的超低功耗單片機MSP430和具有關閉模式的前端儀表放大器，使得兩節(jié)干電池供電的24小時不間斷采集成為可能。(2)用SD卡作為存儲設備并用單片機實現(xiàn)了文件系統(tǒng)，能方便地將數(shù)據(jù)轉存到PC機上，利于后端的數(shù)據(jù)處理和顯示。
參考文獻
[1] JIN H.Design of Holter ECG system based on MSP430 and USB technology.2007 1st International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering，ICBBE.
[2] 沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原料與應用.北京：清華大學出版社，2004.
[3] FAT文件系統(tǒng)原理.http://www.sjhf.net.
[4] 張艷梅，孟橋.心電信號的處理與自動診斷.南京：東南大學碩士論文，2005，3.
[5] 韋海旋，楊雪梅.基于ARM的動態(tài)心電圖采集系統(tǒng).微計算機信息，2008(2).