基于MSP430的低功耗脈象信號采集系統(tǒng)

杜輝，龐春穎

（長春理工大學(xué) 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)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(jù)。傳統(tǒng)脈診依靠中醫(yī)的手指和經(jīng)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(jīng)驗難以理解等缺點(diǎn)［1］。因此，為脈診建立切實(shí)可行的客觀指標(biāo)，定量研究人體脈象信息，是繼承和發(fā)揚(yáng)我國中醫(yī)脈診技術(shù)迫切需要解決的問題。

自從英國人Marey以彈簧為動力設(shè)計了杠桿式脈搏傳感器以來，脈象的采集有了快速發(fā)展。1860年首次出現(xiàn)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(xiàn)了杠桿式光學(xué)脈搏描述器［2-4］。20世紀(jì)50年代開始，日本、韓國等都先后開展了脈象學(xué)及脈診客觀化的研究。隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來國內(nèi)出現(xiàn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸、成本與精度不可兼得等缺陷。伴隨遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展，人們對脈象采集儀器的功耗和遠(yuǎn)程傳輸提出了新的要求。

本文設(shè)計的基于MSP430單片機(jī)的脈象信號采集系統(tǒng)，充分利用MSP430芯片的低功耗特性和信號處理能力，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了脈象信號的采集和顯示。該脈象信號采集系統(tǒng)具有微型化、低功耗、易于操作的特點(diǎn)，可以實(shí)時顯示脈象信號，并實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信，既可以在上位機(jī)進(jìn)行信號的分析，也為遠(yuǎn)程醫(yī)療提供了條件。

1 系統(tǒng)總體設(shè)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(yù)處理?？紤]到個體差異而造成的脈象信號強(qiáng)度不同，所以該系統(tǒng)包含了增益調(diào)節(jié)電路，根據(jù)不同的實(shí)際情況調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，因此適用于不同人群。

本文所設(shè)計的脈象采集系統(tǒng)采用了HK-2000B型脈象傳感器，以MSP430F169單片機(jī)作為控制核心，通過液晶屏進(jìn)行脈象信號的實(shí)時顯示。系統(tǒng)還利用USB轉(zhuǎn)串模塊實(shí)現(xiàn)了與PC機(jī)的通信，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)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(jìn)行處理，需要進(jìn)行信號的放大。同時脈象采集系統(tǒng)處于開放性工作環(huán)境，需要對周圍干擾信號進(jìn)行濾除。脈象屬于低頻信號，頻帶為1～20Hz［5］。本設(shè)計中先對從傳感器采集到的信號進(jìn)行高通濾波和放大，同時為了順利的A/D轉(zhuǎn)換設(shè)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(diào)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(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)換器采集信號需要對脈象信號的直流分量進(jìn)行電平抬升。另外，該部分電路還借助TL062芯片設(shè)計了增益可調(diào)的放大電路，主要由滑動變阻器R2、R3、R4、TL062組成，其增益可調(diào)范圍為0～20倍。

在對脈象信號進(jìn)行了高通濾波和放大之后，本設(shè)計根據(jù)脈象信號的特點(diǎn)對其進(jìn)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(yīng)為20Hz。該脈象采集系統(tǒng)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(zhuǎn)折頻率由其外接的時鐘信號決定，而MAX291芯片的時鐘/轉(zhuǎn)折頻率比為100∶1。要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(jī)的定時器來產(chǎn)生。具體電路如圖3所示。

圖3 低通濾波電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計從脈象信號的連續(xù)采集和實(shí)時顯示以及低功耗等角度出發(fā)選擇了TI公司研發(fā)的MSP430F169單片機(jī)作為處理核心。該芯片具有12位的ADC，并自帶內(nèi)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(jī)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(jié)電模式，從而達(dá)到低功耗的目的。MSP430單片機(jī)主要以軟件方式完成A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、分析、結(jié)果顯示、USB傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

脈象信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后主要進(jìn)行脈率、主波幅度、脈動周期的計算［6］，并且將得到的結(jié)果和脈象信號實(shí)時顯示在LCD顯示屏上。這些參數(shù)可以為醫(yī)護(hù)人員對病情的診斷提供參考。同時通過串口通訊將數(shù)字化的信號傳輸?shù)絇C機(jī)上，可以對脈象信號進(jìn)行更加復(fù)雜的處理，得到更加詳細(xì)的信息。

圖4 軟件流程

4 實(shí)驗結(jié)果

本文選取不同的樣本對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測試。首先實(shí)現(xiàn)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(jīng)過示波器的讀數(shù)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(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行脈象信號的數(shù)字化處理，A/D轉(zhuǎn)換之后利用USB轉(zhuǎn)串的模塊通過單片機(jī)的串口和PC機(jī)進(jìn)行通信［7，8］，將數(shù)字信號傳輸?shù)絇C機(jī)上，得到的脈象信號如圖6所示。

圖6 數(shù)字脈象信號

同時，脈象信號由MSP430F169單片機(jī)和CM320240-3EBLWA-5N液晶屏實(shí)時顯示，結(jié)果如圖7所示。

圖7 設(shè)計結(jié)果顯示

5 結(jié)論

本文針對脈象信號特點(diǎn)，設(shè)計了基于MSP430的脈象信號采集系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)設(shè)計的總體方案，對系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了脈象信號的采集和顯示。并對所設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測試，給出了測試結(jié)果圖。經(jīng)過試驗表明，該系統(tǒng)可以將它采集到的脈象信號準(zhǔn)確的顯示出來，為醫(yī)生的診斷和治療提供參考。該系統(tǒng)具有微型化、低功耗、易于操作等特點(diǎn)。同時它適用于一些特殊場合，如：救災(zāi)、急救等。該系統(tǒng)還可通過對軟件部分的進(jìn)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(jù)脈類提供一些用藥建議等，這樣可以降低對使用者的專業(yè)要求。

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