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便携式低功耗心电信号采集系统方案

作者:时间:2017-06-06来源:网络

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/349937.htm

心电信号是一种由心肌收缩而产生,并可提供心脏生理功能变化信息的生物电信号,将测量电极放在身体的不同部位,把不同体表的电位差变化记录下来,就得到了心电图(Electro Cardio Gram,ECG)。由于易于检测且直观性较好,在临床医学中得到较为广泛的应用)。然而传统设备体积较大,不便于实时获取心电信号。因此研究便携式、低功耗的系统有重要意义。本文以低功耗模拟前端为基础,结合系列低功耗设计了一种可用于超低功耗和微型化的系统。

1系统硬件设计

心电信号采集系统主要由信号采集前端控制电路组成。工作原理如下:电极提取的人体心电信号,首先送入ADS 1293做适当的放大后进行模/数转换,变成数字信号。然后通过SPI接口送入进行分析和处理,最后通过单片机的USB接口送到便携式显示设备实时显示波形。



图1系统总体设计框图


1.1信号采集前端

ADS1293是美国德州仪器公司(TI)用于生物电势测量的3通道、24位集成模拟前端,它能够针对特定的采样率和带宽对每个通道进行设定,使用户能够针对性能和功耗来优化配置。其还具有交直流断线检测(Lead_off Detect)、电池电量监控和自我诊断报警等功能,内置有ECG应用所需的右腿驱动电路租Wilson/Goldberger终端。ADS1293内部结构与外部引脚的连接方式如图2所示,从信号的流向可划分为信号输入接口、信号处理单元和信号输出接口等部分。



图2 ADS1293原理图


(1)信号输入接口。信号输入引脚从IN1~IN6共有6个,全部输入引脚都包含一个电磁干扰(EMI)过滤器以滤除射频噪声。系统采用5导联连接方式,即右臂(RA)、左臂(LA)和左腿(LL)分别连接到IN1、IN2和IN3引脚;共模探测器(CM detect)取得RA、LA和LL的平均电压用作右腿驱动(RLD)放大器的输入,右腿驱动放大器的输出再返回到右腿(RL)端,一起从IN4引脚输入。右腿驱动电路的作用是控制病人的共模水平,提升系统的交流抑制比;威尔逊网络(WCT)的输出连接到IN6引脚,与连接到IN5引脚的V1(胸电极)一起作为CH3通道的差分信号输入。

(2)信号处理单元。主要由仪用放大器(INA)、∑△调节器(SDM)和低通数字滤波器(Digital Filter)3部分组成,主要作用是将差分模拟电压信号转换成数字信号。仪用放大器是一个具有高输入阻抗的运算放大电路,主要有两个作用:1)对差分信号起一定的放大作用。2)提供高输入阻抗,以便从ECG电极获取更大的输入信号。仪用放大器的输出信号送入∑△调制器进行模/数转换,∑△调制器是基于过采样的一位编码技术,输出反映了输入信号幅度的一位编码数据流。低通数字滤波器由3个可编程的5阶sin型滤波器组成,∑△调制器的输出由低通数字滤波器处理后,即可得到N位编码输出。

(3)信号输出接口。主要包括4线SPI串行接口、DRDYB引脚和ALRAM引脚。各引脚的功能如下:SCLK为串行时钟输入引脚;SDI为串行数据输入引脚,共16位,其中,1位读写控制,7位地址和8位数据。在时钟上升沿期间,所有数据被采样和在第16个时钟上升沿时被写入寄存器中。SDO为串行数据输出引脚,在8~15个时钟下降沿,SDO引脚读数据。CSB为片选引脚,低电平有效,在低电平期间SPI接口开始读写数据,低电平维持16个时钟周期;DRDYB为模数转换结束引脚,表示芯片内部的数据已准备好可以读取,低电平有效,通常可用作CPU的中断信号或状态查询信号;ALARMB为报警引脚,ADS1293有一个自我诊断报警系统,用于诊断在ECG应用中可能发生的异常情况,这些异常情况主要包括电极脱落、同步错误、低电警告和3个通道工作异常等,一旦有异常情况发生就报告给错误标志,并在ARLAM引脚上显示。

1.2 MSP430单片机控制电路

选用TI公司的超低功耗单片机MSP430F5529作为主控制器,其具有丰富的片内外设,各个模块运行完全独立,包括定时器、输入/输出端口、看门狗和UART等均可在主CPU休眠的状态下独立运行。在所有模块都处于活动状态时,电流的典型值为290μA/MHz.在待机模式下,电流的典型值仅为0.18μA,从待机到唤醒的响应时间为3.5μs.MSP430F5529含有2个通用串行通信接口(USCI)模块,支持多种通信模式,如UART、IrDA、I2C、SPI和USB.在系统中,MSP430F5529利用SPI接口对ADS1293进行控制和数据的传输,其中,MSP430F5529工作于主模式下,ADS1293工作于从模式下。通过USB接口将数据传输到便携式显示设备或计算机,图3给出了MSP430F5529的接口电路。



图3 MSP430单片机接口电路


2系统软件设计

系统软件主要包括:(1)对ADS1293进行控制,完成心电信号的模/数转换,并通过SPI接口读取数据。(2)通过USB接口将数据传输到显示设备实时显示,程序流程如图4所示。



图4程序流程图


首先,对单片机进行初始化,配置与ADS1293通信的SPI接口和与显示设备相连的USB接口。再通过设置相关的寄存器来实现对ADS1293的初始化,包括仪用放大器和∑△调节器的工作频率设定、可编程滤波器的参数设置以及各报警寄存器的设置等。然后启动ADS1293,通过查询DRDYB引脚的状态来判断ADS1293模/数转换是否完成和数据是否准备好,若未准备好,继续查询。否则,产生一个中断给单片机MSP430F5529再通过SPI接口读取ADS1293寄存器中的数据,通过USB接口发送给显示设备。

3结束语

本文提出了一种低功耗、便携式心电信号采集系统的设计方法。系统采用低功耗模拟前端芯片ADS1293来替代传统的分立式前端电路,利用ADS1293内部集成的右腿驱动电路、威尔逊终端、电极脱落检测等ECG应用所需要的模块简化了前端电路,与分立式方案相比,可将组件数量降低90%以上。ADS1293单个通道功耗仅为0.3 mW,且具有灵活的断电和待机模式,可延长便携式设备的电池使用寿命。综上所述,系统具有功耗低、体积小等优点,具有广泛的应用前景。



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