MSP430系列单片机在医疗设备职业运用很广泛,以其低功耗，外围规划简略的长处得到了规划者的喜爱。而心电图或 CT的杂乱的医疗设备运用的许多。心电图机是确诊心脏病的重要仪器之一，能够为医师供给最直观的心电波形。欧美国家现已遍及运用十二导心电图机。十二导联心电图同步记载能客观表达各波、段和间期，能够对早博、心动过速、预激综合征、束支阻滞及分支阻滞等进行定位确诊与辨别确诊；将心电数据存入数据库，能够进行各种电参数的统计学处理，为临床医疗和科研作业带来了极大便当。依据现在的微电子、单片机和核算机技能成功研制出一种便携式心电图机，它可经过液晶显现器显现心电图，一起将数据在核算机上显现并经过网络完结信息远传，是一种新颖的临床和家庭兼用的心电图机。
规范十二导联简介
人体是一个导体，心脏壁缩短引起的动作电势使电流由心脏传达至整个人体，所传达的电流在人体的不同部位发生不同的电势，能够经过电极在皮肤表层感应得出。为了完整地记载心脏的电活动情况，常用水平缓笔直方向的十二种不同导联作记载，称为规范十二导联，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1、V2、 V3、V4、V5、V6导联。丈量时须在人体上安放10个电极，别离为：右手电极VR、左手电极VL、右腿电极RL、左腿电极VF、胸部6个电极 C1~C6。依据国家规范，由这些电极能够组成规范12导联心电图，组成办法如下：
(1) 规范肢体导联：
导联I=VL－VR；
导联II=VF－VR；
导联III=VF－VL；
(2) 加压单极肢体导联：
aVR=VR-(VL+VF)/2；
aVL=VL-(VR+VF) /2；
aVF=VF-(VL+VR)/2；
(3) 常用的胸导联：
胸导Vi=Ci-(VR+VL+VF)/3，式中，VR、VL、VF和Ci(i=1~6)表明右臂、左臂、左腿和胸壁的电位。
体系整体方案
本十二导联同步心电图机选用德州仪器公司的MSP430系列的MSP430FG4616作为操控中心，可方便地完结心电信号的收集、处理、显现以及传输。体系主要由五部分组成：前置扩大电路部分用来扩大各导联心电信号；带通滤波电路部分用来滤除心电信号频率规模以外的噪声；陷波电路用于滤除50Hz工频搅扰和35Hz肌电搅扰；生物电信号数据收集电路部分用来收集扩大后的各导联心电信号并将数据发送给单片机；右腿驱动电路部分不只能够按捺50Hz工频搅扰，还可依据检测到的心电信号恰当调整人体电平，便于ADC采样；数据处理显现部分用来选用滤波算法处理收集的数据并实时显现心电波形；网络传输部分用来将收集的心电数据传输至医院或疾病操控中心，便于随时了解患者的情况。体系功用在液晶显现的菜单下经过按键挑选完结，体系整体框图如图1所示。
图1 体系整体框图
体系硬件规划
心电信号由专用电极获取后送入前置扩大器开始扩大，在对各搅扰信号进行必定按捺后送入带通滤波器以滤除心电频率规模以外的搅扰信号，再经50Hz和 35Hz陷波器滤除工频和肌电搅扰后送入主扩大器，最后主扩大器将滤波后的信号进一步扩大到适宜规模后送入A/D采样电路以进行高精度A/D转化，单片机接收到A/D转化的数据进行滤涉及相关处理后在液晶屏上显现。
图2 心电信号前置扩大电路
心电信号前置扩大电路
电极获取的心电信号是非常弱小的体表电信号且在心电信号检测的进程中常伴有强搅扰，因而必须经特定处理后才干用于临床确诊。本规划选用TI公司的精细外表扩大器INA326，规划了八通道心电信号收集电路，一起提取I、II及V1～V6八导联心电信号，其它四导联心电信号则在经ADC改换后在数字处理部分依据需求运用I导和II导组合完结。心电信号前置扩大电路如图2所示。前级共模信号由被测者的左、右手以及左腿获取，该电路在前级增加了一级共模信号驱动，用来下降共模信号的输出阻抗和进步共模信号驱动才能，确保在多导联情况下共模信号电平的安稳。后级选用仪器扩大器INA326取得8路心电信号，INA326能够消除共模至双端输入的AC线路噪声并扩大输入端所剩余的非直流信号，经高倍扩大后心电信号被送至ADC采样电路。Ro、Co为输出滤波器，能够滤除电路输出的噪声，一起能够作为ADC电路的输入滤波器。INA326用一起的内部技能完结极好的共模按捺比。为了完结更好的高频CMR，在 2和3脚之间加了一个小电容，一起在仪器扩大器的反相输入端串接了与正相输入端阻值相同的电阻，以减小INA326输入偏置电流对输出信号的影响。
图3 右腿驱动电路
ADC康复扩大电路
因为电极电势很高，实践可达500mV，因而经过沟通耦合消除电极电势的影响就至关重要。本规划反响装备中的ADC康复扩大器能够消除直流偏置。当 INA326的输出电压增大今后，反响积分器将施加一个等量的负相电压至INA326基准端，经过此类线性化求和，可完结电极偏置的消除。直流康复器的作用是将本来的直流耦合扩大器转变为沟通耦合扩大器，跟着直流固有形式电压的消除，输出级能够扩大沟通心电图信号而不会发生过饱和。
右腿驱动电路
50Hz工频搅扰是心电丈量中最重要的搅扰，仅靠前置扩大器的高共模按捺比还不足以彻底按捺，杰出的右腿驱动电路能够进步电路的抗工频搅扰才能，并与人体和扩大电路一起构成闭合回路，确保心电扩大电路的正常作业。
因为源自人体的不同端点，左臂与右臂的心电图信号处于不同的电平，且须被INA326扩大，为了更好地按捺50Hz的噪声，经过INA326所得到的人体共模电压被用于反相共模信号，并与2.5V基准电压比较后经过运算扩大器OPA2335驱送至人体的右腿，仅需少数的小型扩大器即可完结有用的共模态按捺改进。该办法不只能够按捺50Hz工频搅扰还可依据心电信号恰当调整人体电平，便于ADC采样。右腿驱动电路如图3所示，其间COM端为前级运放 INA326的共模输出信号，一起在前级还增加了一级电压跟从器用于阻隔。
陷波电路
尽管前置扩大电路对共模搅扰具有较强的按捺作用，但部分工频搅扰是以差模信号办法进入电路的，且频率处于心电信号的频带之内，加上电极和输入回路不安稳等要素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频搅扰，因而一般要进行陷波。本规划运用美国凌力尔特有限公司的LTC1068-50集成开关电容滤波器规划了一个8阶巴特沃斯50Hz陷波器，经测验陷波深度可达50dB，可衰减100倍左右，作用比较抱负。
心电数据收集电路
TI公司的ADS1258元件选用了低噪声的delta-sigma ADC架构，可有序地循环16个通道，单周期（零推迟）高速转化速率可编程，速率1.8K~23.7KSPS每通道，不会发生功用阑珊。顺便的内置体系监测寄存器供给了电源电压、温度、基准电压、增益、以及偏置的丈量，已被广泛用于比如患者监测及心电图体系等高精度、多通道运用，简化的数据收集模块的原理图如图4所示。留意要在ADS1258的模仿信号输入端跨接一个2.2nF的%&&&&&%来旁路ADC采样电流。对±1V的输入信号，能够不必分压电阻桥，直接在其输入端串接一个维护电阻即可。外部运放OPA365将单端输出转变为全差分输出用来驱动ADC，别的还要对2.5V的参阅电压进行滤涉及经过运放 OPA350缓冲来供给低噪声参阅电压。
数据处理存储显现
单片机经过P1接口读取ADS1258收集的数据，进行特定处理后将数据顺次存放在外部存储器中。数据存储器运用ATMEL公司的AT29LV1024，它具有1M位的存储空间且具有掉电维护功用，能够在意外掉电或封闭电源的情况下保存数据。本体系经过液晶显现器显现实时收集的心电波形及剖析成果。别的体系选用MAX3232扩展串口，并最终将心电数据传送至医院或疾病操控中心，便于医院随时了解患者的情况。
体系软件规划
心电图机的主控模块和功用模块依照体系功用框图规划、履行，微型十二导心电图机的体系软件功用框图如图5所示。
图4 数据收集模块原理图
图5 体系软件功用框图
心电信号的软件数字滤波
因为心电信号会不可避免地混入50Hz工频搅扰，一起从人体取得的心电信号还含有由皮肤阻抗、呼吸及扩大器的温度漂移等发生的基线漂移,而只是依托硬件很难将其抱负滤除，因而选用软件数字滤波的办法。图6显现了用MATLAB对加噪心电信号运用FFT办法滤除50Hz工频搅扰的仿真试验成果。试验原始数据取自MIT/BIH心电数据库中的一段波形。因为试验选用的是矩形窗模仿滤波，在康复时域信号时会有振铃效应，因而在实践运用中可依据需求选用适宜的窗函数。
从滤波与处理作用看，快速傅里叶改换可得到信号的悉数频谱，便于进行针对性处理，且可挑选的窗函数多，对50Hz频移有很好的滤除作用。而自适应模板法与数学形状滤波规则别离适用于50Hz工频搅扰的去除与基线漂移及高频噪声搅扰的去除。本体系将以上三种滤波办法结合起来运用，当需求在液晶屏上显现心电波形时选用自适应模板法与数学形状滤波法，将数据传输到PC机中时能够选用快速傅里叶改换法对心电信号进行精确处理。
心电图机PC机端辅佐软件的开发
本文规划的心电图机配有根据Visual C++6.0开发环境编写的PC机软件以扩展体系功用。将心电图机与PC机衔接后，发动Windows心电数据收集程序即可在核算机屏幕上看到实时收集的心电波形，PC机心电信号显现界面如图7所示。
图6 运用FFT办法滤除50Hz工频搅扰后的心电信号
图7 PC机心电信号显现界面
结束语
本文规划的心电图机选用了TI公司的高功用单片机MSP430FG4616和16通道低噪声Δ-Σ架构的24位模数转化器，能精确获取反响心电特征及其改变规则的心电信号，并可经过单片机的操控在液晶屏上以图形办法显现和存储，为完结家庭医疗长途确诊进行了前瞻性的研讨。与惯例规划比较，本体系具有功用安稳、精度高、抗搅扰才能强等特色，具有杰出的运用远景。
