心電采集儀設(shè)計及在實驗教學中的應(yīng)用

楊勇 高川 彭洪

摘 要：為了提高生物醫(yī)學工程專業(yè)學生的綜合應(yīng)用能力和實踐創(chuàng)新能力，開發(fā)了一款基于MSP430單片機的低功耗心電采集儀，并應(yīng)用于“現(xiàn)代醫(yī)學儀器原理及設(shè)計”課程的實驗教學中。心電采集儀基于模塊化思想設(shè)計，學生可自主設(shè)計各個模塊，焊接調(diào)試后接入采集儀觀察結(jié)果。實踐表明，借助該實驗平臺能激發(fā)學生的實驗興趣、加深學生對生物醫(yī)學工程相關(guān)知識的理解與掌握、提高專業(yè)知識與技能的綜合運用能力和實踐創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：心電采集儀；MSP430單片機；模塊化；設(shè)計；實踐創(chuàng)新

中圖分類號：TH772 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0032-03

Abstract： In order to improve the comprehensive application ability and practical innovation ability of the students majoring in biomedical engineering， a low power ECG acquisition instrument based on MSP430 microcontroller was developed and applied to the experimental teaching of the course of "Principle and Design of Modern Medical Instrument". The ECG collector is designed based on modularization. Students can design each module on their own. After welding debugging， they can be connected to the observation result of the instrument. Practice shows that with the help of the experimental platform， students can stimulate their interest in experiments， deepen their understanding and mastery of biomedical engineering related knowledge， and improve their comprehensive application ability and practical innovation ability of specialized knowledge and skills.

Keywords： ECG acquisition instrument； MSP430 single chip microcontroller； modularization； design； practice innovation

本文研制了一款基于MSP430單片機的低功耗心電采集儀并應(yīng)用于“現(xiàn)代醫(yī)學儀器原理及設(shè)計”課程的實驗教學。該系統(tǒng)將生物傳感器、模擬數(shù)字電路、單片機、Android應(yīng)用開發(fā)與“現(xiàn)代醫(yī)學儀器原理及設(shè)計”課程的相關(guān)知識整合應(yīng)用，有效的將理論學習與實踐訓練結(jié)合。在實驗教學中，通過原理仿真、焊接調(diào)試、連線測試、制作單元電路和編寫程序，提高學生的動手與設(shè)計創(chuàng)新能力；學生以自身為測試對象，能更好地激發(fā)其學習熱情，實驗效果更顯著[1-3]。

1 總體設(shè)計思路

采集儀從對基本電路的學習應(yīng)用與實踐創(chuàng)新兩個層面入手，指導學生將所學內(nèi)容應(yīng)用于工程實踐?；谀K化思想設(shè)計的心電采集儀有利于學生分析、掌握單元電路；學生也可自行設(shè)計采集儀的單元電路，完成焊接調(diào)試，將其接入本采集儀中完成心電信號的檢測；同時也有利于對系統(tǒng)進行功能擴展和性能優(yōu)化[4、5]。

采集儀基于超低功耗單片機MSP430F5529和Android手機設(shè)計，分為硬件電路和軟件程序。硬件電路包括：心電信號調(diào)理電路，數(shù)據(jù)采集電路和電源電路。調(diào)理電路即模擬電路部分，主要完成心電信號的放大、濾波、電平調(diào)整等；數(shù)據(jù)采集電路即數(shù)字電路部分，主要完成心電信號的A/D轉(zhuǎn)換、心率計算、無線通信等；電源模塊提供系統(tǒng)需要的電壓，系統(tǒng)采用電池供電。軟件即手機APP程序，主要完成心電信號的顯示和數(shù)據(jù)的保存。心電采集時使用標準的醫(yī)用心電導聯(lián)線與心電電極能夠減小干擾[6-8]。心電采集儀框圖見圖1。

2 硬件電路設(shè)計

如圖1所示，采集儀的硬件電路主要包括電源管理電路，心電信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路。

2.1 電源管理電路

電源管理電路主要完成電壓的轉(zhuǎn)換和分配：把兩節(jié)18650電池提供的電壓轉(zhuǎn)換為±5V供給心電信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集電路。電路由LM317完成穩(wěn)壓，提供+5V輸出；由TPS60400完成+5V到-5V的轉(zhuǎn)換，經(jīng)π型濾波后輸出-5V。

2.2 心電信號調(diào)理電路

心電信號調(diào)理電路即模擬電路部分，包括前置放大器、帶通濾波器、主放大器，電平調(diào)整電路和50Hz工頻陷波器；其組成見圖1。首先使用具有高輸入阻抗、高共模抑制比的儀用運放和右腿驅(qū)動電路完成前置放大，放大倍數(shù)為10；前置放大器能夠提高系統(tǒng)的輸入阻抗和共模抑制比。使用通帶為0.05～100Hz的帶通濾波器進行濾波并將信號放大4倍。主放大器放大倍數(shù)為75。使用單片機內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換模塊，其輸入范圍為0～3.3V，故需進行電平抬升。50Hz陷波器采用雙T型結(jié)構(gòu)[9]。

2.2.1 前置放大器

前置放大器的主要目標是提高系統(tǒng)的共模抑制比、輸入阻抗并抑制噪聲，常選用高共模抑制比的儀用放大器。本設(shè)計采用ADI公司的AD620，其具有高共模抑制比、高精度、低噪聲、低成本、使用方便等特點，通過調(diào)節(jié)一個外接電阻阻值即可完成放大倍數(shù)的設(shè)置。右腿驅(qū)動電路是抑制工頻干擾的有效手段，把儀用放大器提取的工頻干擾連接到心電導聯(lián)線的屏蔽層上能夠有效抑制導聯(lián)線受到50Hz工頻干擾。

2.2.2 帶通濾波器

心電信號頻率主要為0.05～100Hz，能量集中在1～30Hz。因此需對0.05～100Hz的心電信號進行保護，濾出此頻帶之外的信號。實際電路中，用兩個運算放大器分別構(gòu)成二階壓控電壓源型低通和高通濾波器，低通和高通濾波器的截止頻率分別為0.05Hz和100Hz。

2.2.3 主放大器

從心電傳感器獲得的信號幅值最大約為1mV。前置放大器和帶通濾波器的增益為40倍，而要獲得清晰的心電信號至少需要將其放大一千倍。因此用主放大器對心電信號放大75倍，使輸出信號最大值約為3V。

2.2.4 電平調(diào)整電路

設(shè)計中使用MSP430單片機內(nèi)置AD模塊，其輸入范圍為0～3.3V，因此需對放大后的心電信號進行電平調(diào)整。電平調(diào)整電路包括基準電壓源和一個由運算放大器構(gòu)成的同相加法器?；鶞孰妷涸从呻娮璺謮浩鳟a(chǎn)生，并經(jīng)跟隨器后與心電信號相加完成電平調(diào)整功能。

2.2.5 50Hz陷波器

在心電采集儀中對50Hz工頻干擾進行有效抑制是獲得良好心電信號的前提。在前置放大器中采用右腿驅(qū)動技術(shù)能夠抑制來自人體的工頻干擾，采用經(jīng)典的雙T型帶阻濾波器構(gòu)成4階50Hz陷波器能進一步抑制工頻干擾。

2.3 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路即系統(tǒng)的數(shù)字電路部分，其組成見圖1；包括MSP430F5529單片機，OLED顯示器，HC-06低功耗藍牙模塊。

數(shù)據(jù)采集電路的任務(wù)包括心電信號的數(shù)字化，計算心率并顯示在OLED液晶屏上，將數(shù)字化后的心電數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送給手機等。A/D轉(zhuǎn)換使用單片機內(nèi)置的12位ADC模塊，利用單片機的I/O口驅(qū)動液晶顯示，使用單片機內(nèi)置的UART接口與藍牙模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。在本設(shè)計中，將自帶仿真器的MSP430F5529最小系統(tǒng)板MSP430F5

529 LaunchPad直接集成到數(shù)字電路板上能極大降低實驗成本。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件流程圖見圖2，可以將系統(tǒng)的軟件分為單片機程序和手機APP軟件兩個部分。

3.1 單片機程序設(shè)計

單片機軟件程序按照模塊化和低功耗的思想設(shè)計。該部分程序可分為五個大的模塊，分別是主程序，A/D轉(zhuǎn)換，心率計算，顯示驅(qū)動，UART通信。每個模塊都由對應(yīng)的中斷服務(wù)子程序完成，以實現(xiàn)低功耗。

3.2 手機APP軟件設(shè)計

手機APP程序主要包括人機交互界面的設(shè)計和心電數(shù)據(jù)采集、顯示及存儲。手機APP程序的功能包括與藍牙模塊建立通信連接，顯示接收到的心電數(shù)據(jù)波形和心率，存儲心電數(shù)據(jù)，對心電數(shù)據(jù)進行基本分析等，如心率過高或過低會產(chǎn)生振動報警。手機APP程序的界面見圖3。

4 在教學中的應(yīng)用

在“現(xiàn)代醫(yī)學儀器原理及設(shè)計”課程的理論教學中分析了心電采集儀的組成和原理，用Multisim軟件對心電信號調(diào)理電路進行了原理仿真；通過實驗教學環(huán)節(jié)進行驗證和實踐創(chuàng)新設(shè)計。

4.1 驗證型實驗

實驗開始對采集儀的組成和各個單元模塊電路都有清楚的認識，明確實驗過程與注意事項。

（1）焊接調(diào)試。實驗開始時，學生兩人一組完成調(diào)理電路PCB板的焊接調(diào)試。調(diào)試時使用直流穩(wěn)壓電源給PCB板提供±5V電壓，使用SKX-2000C型標準心電信號源模擬心電信號以加快調(diào)試進程、降低調(diào)試難度。學生在逐個單元電路的焊接調(diào)試過程中能很好的掌握其原理和作用。通過焊接調(diào)試的方式比連線方式更能讓學生掌握典型調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)和功能，提高學生的實踐動手能力。

（2）連接測試。完成調(diào)理電路PCB板的焊接調(diào)試之后，將其與電源模塊和數(shù)字電路板連接，打開預先下載的手機APP程序，引入心電信號就可以進行觀察測試。首先把（1）中所述的標準心電信號源心率設(shè)為60，引入采集儀，觀察標準心電信號的特點；圖4（a）為在手機APP界面上觀察到的心電信號。然后觀察50Hz陷波器的作用，圖4（b）為某同學濾波之后的心電信號。

4.2 創(chuàng)新設(shè)計型實驗

在學生完成驗證型實驗并完全掌握采集儀的工作原理后，要求學生基于所掌握的知識并查閱文獻，對采集儀或單元電路進行創(chuàng)新性設(shè)計，完成電路的實際制作。學生不僅可以設(shè)計制作單個電路模塊，也可以重新編寫單片機或手機APP程序，優(yōu)化擴展采集儀功能。

5 結(jié)束語

本文所開發(fā)的心電采集儀將“現(xiàn)代醫(yī)學儀器原理及設(shè)計”等課程的理論知識與實踐創(chuàng)新訓練融為一體；是基于單片機的硬件開發(fā)與面向?qū)ο蟾呒壋绦蛟O(shè)計的結(jié)合。其具有神經(jīng)電生理信號采集系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)和典型電路，能加深學生對相關(guān)知識的理解和掌握。在實驗過程中，學生以自身為測試對象、使用自己手機觀察心電信號，激發(fā)了學習熱情和參與度；自己動手進行焊接調(diào)試、編寫程序代碼，提高了學生的成就感與實踐創(chuàng)新能力。實驗訓練效果明顯，在2016年四川省電子設(shè)計大賽中獲二等獎2項、三等獎1項，在2016年全國生物醫(yī)學工程創(chuàng)新設(shè)計競賽中獲全國二等獎2項。該采集儀性能穩(wěn)定、功耗低、使用簡單方便，在手機APP上增加數(shù)據(jù)上傳功能就可以應(yīng)用于心電的遠程監(jiān)護。

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