低功耗心率检测仪设计

摘要：根据人体真实信号I导联，以MSP430F5529Launchpad系统板为核心，设计了一种便携无线心电监视仪。硬件上采用TI公司的高性能模拟器件，以提取微弱的QRS波形的同时，使功耗降到最低;软件上实现了信号调制、信号处理，准确计算心率;显示上以安卓手机作为终端，靠蓝牙进行通讯。实验样机的初步测量结果表明，在安静状态下，心电信号无失真、心率测量误差在3%内。

1 引言

　　心血管疾病是现代工业社会中对人类生命威胁最大的疾病，因此日常的心脏监护就成为保证病人生命安全的重要手段，通过日常监护预先发现异常征兆，及时给予救治。同时，心电图作为心脏电活动在体表的综合表现，是诊断心脏疾病、评价心脏功能的重要依据之一。

　　实时的心电监护是十分有必要的。以准确的检测为前提，以便携、低功耗为目的，我们需要使用尽可能小而且高性能的器件，设计出最小的高准确度低功耗电路。并且通过蓝牙模块传输到现在每个人都拥有并且使用时间相当长的手机上进行心电波形和心率的显示，方便使用。

　　我们选择使用TI提供的高性能超低功耗的MSP430F430 LaunchPad作为开发平台，以及TI公司生产的高性能低功耗器件如OPA2333、INA333等进行各放大、滤波模块的构建。在更为普及的Android平台上编写手机端程序，接收经单片机采样计算的数据，显示波形及心率。需要解决的问题有50Hz工频干扰，人体生理信号的低信噪比易失真的特性，功耗的控制，心率计算算法的选择和手机端的实现。

2 系统方案

　　在便携式的心率监测系统中，系统的低功耗和稳定性越高对病人越好。因此我们尽量精简该系统的硬件和选择低功耗的芯片，通过多次测试来确定系统的稳定性。图1是系统的结构框图，处理核心是高性能的MSP430F5529。系统硬件主要由前端电路模块，来采集人体的心电信号，并进行适当的放大和滤波处理提取微弱的心电信号;再通过MSP430内部的AD采样功能将模拟的电压信号转换为数字信号;无线传输模块主要是无线发射模块，采用了TI公司的CC2540，它通过标准的UART口与微控制器实现数据通信;显示模块由手机来完成;电源模块采用TLV70030芯片，它可以固定输出电压3V，用于给单片机、无线模块、前端电路供电。系统软件在结构上分为主控程序、信号处理模块、无线通信模块。先将信号通过简单的数字滤波处理，再分析信号的幅值周期等信息来计算心率;最后将心电信号和心率进行发送和显示。本文主要介绍完整的硬件系统设计和软件设计。

3 硬件设计

　　3.1 电源模块

　　为了数字电路和单片机的供电，我们将电源设置为3V的单电源供电模式。选择3V的同时也为了降低功耗。采用锂电池供电，锂电池的电压范围在3.7V-4.2V，为了获得稳定的3V电压，我们选用TLV70030线性稳压器。经过比较，TLV70030具有低压降、低功耗、输出噪音小的优点。

　　系统采用单电源供电，无法放大负半轴的信号。为了使得模拟电路采集到的心电信号在调理过程中获得最大的动态范围，需要设定Vcc/2 的半电位参考电平。通过简单的电阻分压后，通过电压跟随器实现阻抗匹配，使得后级电路不会对参考电平产生影响。

　　3.2 放大模块

　　心电信号幅值为10m V-5mV，其典型值为1mV，非常微弱，在处理时，若要求输出电平达到1V左右，则放大倍数要做到1000倍左右。为抑制电路的零点漂移，提高共模抑制比，系统放大电路应采用多级实现。为了抑制工频干扰以及所测量的参数外的其他生理作用的干扰，须采用了差动放大形式。要求放大器具有较高的共模抑制比。

　　我们选用了3级放大。第一级放大我们选择的INA333仪表放大器具有超高输入阻抗，极其良好的共模抑制比100dB，低输入偏移，低输出阻抗。经计算放大倍数:

　　二级放大和后级放大：经过一级放大后信号幅值已经足够，可以进行滤波处理;为了显示波形美观和AD采样的准确，将两级放大放在最后。一方面，信号通过仪表放大后，存在基线漂移，需要通过高通滤波器才能继续放大，防止信号的截止;另一方面，信号先滤波再进行后级放大有利于滤波的效果。我们同样选用性能优秀的OPA2333来作为放大器件。以实现放大后信号无失真，低噪声等需求。为了提高输入阻抗，我们选用同向比例放大器。二级放大的放大倍数分别为：