基于MSP430和SD卡的心電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏蘭++賈曉冬

摘 要： 介紹一種心電信號(hào)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用MSP430F5529串行外圍接口總線與SD卡相連，解決了便攜式生理信號(hào)監(jiān)測系統(tǒng)長時(shí)間對(duì)人體健康檢測所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)問題。USB接口與文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得寫入SD卡的心電數(shù)據(jù)能夠在上位機(jī)中得到正確訪問，方便進(jìn)一步處理和分析。該系統(tǒng)適用于大容量的現(xiàn)場采集、存儲(chǔ)和讀取，并在便攜式心電監(jiān)護(hù)儀上得到了應(yīng)用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)完全滿足要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體心電信號(hào)實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)以及后期分析。

關(guān)鍵詞： MSP430F5529； SD卡； FAT16文件系統(tǒng)； 心電圖

中圖分類號(hào)： TN911.7?34； TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）21?0020?04

Design of ECG signal acquisition system based on MSP430 and SD card

XIA Lan， JIA Xiaodong

（School of Biological & Medical Engineering， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract： An ECG signal acquisition and storage system is introduced， in which MSP430F5529 serial peripheral interface （SPI） bus is connected to SD card in this system to solve the mass data problem generated from long time human health detection by portable physiological signal monitoring system. The design of USB interface and file system makes the ECG data written into the SD card can be accessed correctly in the host computer， and then processed and analyzed further. This system is suitable for large capacity on?site collection， storage and read， and has been applied to the portable ECG monitor. The experimental results show this system can meet the requirements entirely， and realize the real?time acquisition， display， storage and later analysis of human eletrocardiosignal.

Keywords： MSP430F5529； SD card； FAT16 file system； ECG

0 引 言

隨著生活水平的日漸提高，醫(yī)療健康問題引起人們高度關(guān)注，使得便攜式家庭醫(yī)療電子未來的前景增長甚為巨大，這就要求其性能、功耗和存儲(chǔ)介質(zhì)容量也越來越高。利用嵌入式技術(shù)開發(fā)出低成本、低功耗、高性能的便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)已成為可能。MSP430F5529微處理器因其具備高集成度、高性能處理、低成本以及超低功耗等特點(diǎn)大量應(yīng)用于便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品中。本文利用微處理器MSP430與大容量SD存儲(chǔ)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于MSP430和SD卡便攜式心電數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集的心電數(shù)據(jù)以Windows標(biāo)準(zhǔn)文件的形式存儲(chǔ)在容量大、體積小的SD卡上，然后通過USB接口將儲(chǔ)存在SD卡中的心電數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)以進(jìn)行后期復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作。在心電信號(hào)采集的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和微處理器可以使用FAT16文件格式讀/寫Micro SD卡的數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為便于檢測，本文設(shè)計(jì)的便攜式心電信號(hào)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)采用雙極標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)記錄心電信號(hào)。當(dāng)人體心臟活動(dòng)時(shí)心電電位變化可傳導(dǎo)到人體表面，通過測量兩肢體之間的電位差，檢測系統(tǒng)的地端與右腿接在一起作為參考，可記錄心電電位的變化，這種方法就是通常所說的愛氏三角法。從ECG肢體導(dǎo)聯(lián)獲得心電信號(hào)，傳送到前置放大器，先后經(jīng)過高通（HPF）、低通濾波器（LPF）從中濾除直流電平、低頻噪聲干擾以及高頻干擾后，再經(jīng)陷波器（也就是帶阻濾波器BEF）有效地抑制信號(hào)中含有的50 Hz工頻干擾信號(hào)，得到帶寬范圍為0.05～100 Hz的有用心電信號(hào)，這也是心電信號(hào)的有效范圍。然后經(jīng)次級(jí)放大器放大，最后由A/D轉(zhuǎn)換后送至微處理器或上位機(jī)進(jìn)行顯示操作，以進(jìn)一步分析處理[1]。圖1為心電信號(hào)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖。為了實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用存儲(chǔ)容量大、體積小、數(shù)據(jù)傳輸速率快的SD卡，持續(xù)地記錄心電信號(hào)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)方便快捷地管理和維護(hù)心電數(shù)據(jù)，SD卡中數(shù)據(jù)以文件的標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行存儲(chǔ)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 心電信號(hào)模擬前端電路設(shè)計(jì)

模擬前端電路獲得心電信號(hào)的主要工作流程為：采集來自雙極標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的心電信號(hào)ECG，經(jīng)由前置放大，濾波等方法得到易于處理的心電信號(hào)。根據(jù)便攜式的特點(diǎn)，整個(gè)模擬前端電路采用了單電源、低電壓的設(shè)計(jì)，取1.2 V作為參考電壓。

ECG電極通過肢體導(dǎo)聯(lián)與人體連接，所獲取的是強(qiáng)噪聲背景下的微弱、低頻心電信號(hào)，并且檢測電極和肢體皮膚之間的接觸阻抗大、變化波動(dòng)也大，這就要求前置放大電路具有較高的輸入阻抗和共模抑制比 。為此選用了TI公司生產(chǎn)的INA118儀表放大器，該芯片具有噪聲系數(shù)小、輸入阻抗高、共模抑制比高、非線性小、工作頻帶寬等特點(diǎn)，提高了信噪比，適合對(duì)各種微小信號(hào)放大，其內(nèi)設(shè)有輸入過壓保護(hù)，確保心電檢測可正常進(jìn)行。

前置放大器INA118的作用是將從心電電極獲取的心電信號(hào)進(jìn)行初步放大，根據(jù)小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)原則，前置放大電路增益不能設(shè)置太高，過高將不利于后續(xù)電路噪聲的處理[2]，一般前置放大的倍數(shù)設(shè)計(jì)為10倍左右為宜。通過調(diào)節(jié)INA118儀表放大器外部電阻[RG]可以非常方便地改變放大器增益[G：]

圖2 前置放大電路和右腿驅(qū)動(dòng)電路

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)的硬件主要由微處理器MSP430F5529，SD卡電路和穩(wěn)壓電源電路組成。

MSP430F5529是美國德州儀器公司（Texas Instruments）推出的一種具有128 KB閃存和8 KB SRAM的超低能耗混合信號(hào)處理器。以16位RISC CPU、極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)、方便靈活的仿真調(diào)試[4]，越來越受到廣大嵌入式開發(fā)者的追捧和青睞，是一款非常優(yōu)秀的SoC片上系統(tǒng)，它自帶14個(gè)ADC轉(zhuǎn)換器、4個(gè)定時(shí)器、12個(gè)比較器、32×32硬件乘法器、全速USB 2.0以及2個(gè)通用串行通信接口（USCI）等豐富的資源[5]，適合應(yīng)用于心電信號(hào)的采集處理。MSP430F5529內(nèi)置最高達(dá)200 KS/s的12位ADC轉(zhuǎn)換器，帶有內(nèi)部的參考源和采樣保持電路，利用定時(shí)器做時(shí)鐘源觸發(fā)ADC，能夠得到準(zhǔn)確的200 Hz采樣率。將心電模擬前端電路得到滿足A/D轉(zhuǎn)換電壓要求的心電信號(hào)，送至A/D進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，A/D采樣值經(jīng)過數(shù)字濾波有效濾除干擾信號(hào)后，儲(chǔ)存在大容量SD存儲(chǔ)卡中，同時(shí)應(yīng)用閾值識(shí)別QRS波群，再結(jié)合200 Hz的采樣率計(jì)算出心率，在液晶顯示器LCD上顯示。由于MCU具有超低功耗的架構(gòu)，該解決方案的工作電流低于3 mA。

MSP430F5529與SD卡之間通信，是通過CPU內(nèi)部帶有的高速同步串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）[2]以串行的方式來實(shí)現(xiàn)的，SD卡（Secure Digital Memory Card）引腳外形以及SPI模式下各管腳功能詳述分別如圖3和表1所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

MSP430F5529單片機(jī)內(nèi)置的12位A/D轉(zhuǎn)換器，帶有內(nèi)部的參考源和采樣保持電路，利用定時(shí)器做時(shí)鐘源觸發(fā)ADC，能夠得到準(zhǔn)確的采樣率，ADC 12模塊的工作模式設(shè)置為單通道單次采集，時(shí)鐘設(shè)置為系統(tǒng)時(shí)鐘8 MHz。為了精確控制采樣率，利用Timer A定時(shí)控制。Timer A的時(shí)鐘源選擇的是輔助系統(tǒng)時(shí)鐘ACLK=32.768 kHz，令CCR0=164，[1采樣率=1ACLK?]CCR0，可知心電采樣率為200 Hz。獲取的ECG信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，采用濾波和閾值檢測算法來檢測波峰，也就是經(jīng)過數(shù)字濾波預(yù)處理消除干擾信號(hào)，再通過設(shè)定幅值閾值來識(shí)別并檢測出R波，由采樣時(shí)間間隔計(jì)算RR間期得出心率數(shù)值，并在LCD屏上動(dòng)態(tài)的顯示；同時(shí)經(jīng)A/D采樣轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)以文件的形式存入SD卡中，以便上位機(jī)通過USB接口或讀卡器直接讀出，可隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析[7]，例如通過LabVIEW程序回放存在SD卡中的心電數(shù)據(jù)，為醫(yī)生診斷和治療提供了重要信息。

3.1 SD卡操作[8]

對(duì)SD卡進(jìn)行操作時(shí)首先需對(duì)SD卡進(jìn)行初始化。MSP430F5529的P4.6（CS片選信號(hào)）輸出為高， P4.0（SCLK）開始向SD卡發(fā)送至少74個(gè)CLK周期的時(shí)鐘，確保供給SD卡的工作電壓穩(wěn)定和同步。P4.6（CS）為低，CMD0（CMD_GO_IDLE_STATE）命令由MSP430F5529通過P4.4（MOSI）端發(fā)送給SD卡，SD 卡進(jìn)入SPI模式，同樣當(dāng)激活SD卡命令CMD1（CMD_SEND_OP_COND）由微處理器發(fā)送之后， SD卡的初始化工作就完成了。讀/寫SD卡的操作都是在初始化后基于SD卡命令和響應(yīng)來完成的[9]。MSP430F5529通過向SD卡發(fā)送命令并接收SD卡的響應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡扇區(qū)的讀、寫以及刪除數(shù)據(jù)的操作。SD卡讀/寫數(shù)據(jù)是向SD卡發(fā)送讀命令CMD17（CMD_READ_SINGLE_BLOCK）完成，向SD卡寫入數(shù)據(jù)塊是通過向SD卡發(fā)送命令CMD24（CMD_ WRITE_SINGLE_BLOCK）完成[9]。

3.2 FAT16文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[10]

為了管理SD存儲(chǔ)卡中的心電數(shù)據(jù)，本文在SD卡上建立常用FAT16文件系統(tǒng)，非常方便上位機(jī)直接讀取儲(chǔ)存在SD卡上的心電數(shù)據(jù)。

FAT16文件系統(tǒng)是應(yīng)用程序和存儲(chǔ)介質(zhì)之間的一種協(xié)議，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

主引導(dǎo)記錄區(qū)（Main Boot Recorder，MBR）放在SD卡的起始位置的第一個(gè)扇區(qū)處，也就是物理第0扇區(qū)，存放SD卡啟動(dòng)代碼，內(nèi)容一般固定。隨后存放了一段分區(qū)記錄表（Disk Partition Table，DPT）記錄了各分區(qū)的屬性。對(duì)于SD卡來說，由于只有一個(gè)分區(qū)，它不支持多分區(qū)，所以DPT中只有一個(gè)分區(qū)表項(xiàng)信息。最后存放主引導(dǎo)記錄結(jié)束標(biāo)志55AA[6]。

系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)（DOS Boot Record，DBR） 放在SD卡邏輯分區(qū)的第0扇區(qū)，是操作系統(tǒng)可以直接訪問的第一個(gè)扇區(qū)，由操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序和BIOS參數(shù)塊（Bios Parameter Block，BPB）組成。BPB記錄著SD卡分區(qū)的一些重要參數(shù)，如：根目錄大小、FAT表個(gè)數(shù)、磁盤介質(zhì)描述、文件存儲(chǔ)模式、分配單元大小等[8]。

文件分配表區(qū)（File Allocation Table，F(xiàn)AT）位于DBR之后，是記錄文件所在位置的表格。在FAT文件系統(tǒng)中，文件不是連續(xù)地存放，而是被分成若干簇，以簇為單位保存在SD卡中，在查找整個(gè)文件時(shí)，需要通過FAT表來查找文件所有簇所在的位置[10]，以確保操作系統(tǒng)對(duì)鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)文件正確訪問。由此看出FAT表對(duì)于文件系統(tǒng)十分重要，因此FAT16文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)有兩個(gè)FAT表，F(xiàn)AT2是FAT1的備份[11]，進(jìn)行更改FAT1操作的同時(shí)需要更改FAT2，可以保證在 FAT1被破壞的情況下通過FAT2修復(fù)文件。

根目錄區(qū)（Directory，DIR）位于第2個(gè)FAT表（即FAT2表）之后，記錄著根目錄信息，如：根目錄下每個(gè)文件（目錄）的起始簇號(hào)、文件大小和創(chuàng)建時(shí)間等屬性。操作系統(tǒng)根據(jù)這些屬性，并結(jié)合 FAT表可知道文件在SD卡中的具體位置和大小[11]。根目錄區(qū)之后是用戶數(shù)據(jù)區(qū)（DATA區(qū)），存放文件數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)儲(chǔ)存在SD卡上的心電數(shù)據(jù)是以FAT16的文件系統(tǒng)格式保存的，通過在MSP430F5529 上對(duì)SD卡底層驅(qū)動(dòng)的編寫（SD的初始化、SD卡的讀/寫等），對(duì)FAT區(qū)、DIR區(qū)和DATA區(qū)做更改，實(shí)現(xiàn)了文件的創(chuàng)建、打開、讀取、寫入和刪除等操作。

首先文件在SD卡上創(chuàng)建則是根據(jù)所需大小在根目錄中創(chuàng)建文件項(xiàng)的過程，在FAT表中找到最靠前空置的簇，并將起始簇號(hào)等信息寫入根目錄區(qū)，再根據(jù)文件大小在FAT表中構(gòu)成簇鏈。最后將FAT表進(jìn)行復(fù)制，填入FAT2。

文件的寫入和讀取操作主要根據(jù)FAT文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從根目錄區(qū)找到文件，讀取文件起始簇號(hào)和大小，再到FAT表中找到整個(gè)文件存放的位置，然后到存放文件的扇區(qū)做相應(yīng)數(shù)據(jù)操作。

文件刪除操作是直接將根目錄區(qū)所對(duì)應(yīng)的項(xiàng)清空，再將文件對(duì)應(yīng)的FAT簇鏈清空。

這樣通過調(diào)用MSP430F5529 上SD卡的底層驅(qū)動(dòng)，完成文件和目錄的創(chuàng)建、讀取、寫入以及刪除等文件常用功能，便于文件的統(tǒng)一管理。每一步操作可通過WinHex軟件容易查看大容量SD卡內(nèi)部全部存儲(chǔ)信息內(nèi)容的情況。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，將便攜式心電監(jiān)護(hù)儀采集到的心電數(shù)據(jù)記錄于非易失性大容量Micro SD儲(chǔ)存卡中，其數(shù)據(jù)文件可通過USB或讀卡器在Windows或Linux操作系統(tǒng)下讀取，方便醫(yī)生對(duì)數(shù)據(jù)處理作進(jìn)一步的分析[11]。該方法為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)長時(shí)間地采集和記錄海量數(shù)據(jù)提供了一種很好的解決方案。

SD卡存入的心電數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上顯示的心電波形如圖6 所示。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)利用低功耗單片機(jī)MSP430F5529采集心電信號(hào)，同時(shí)可長時(shí)間、連續(xù)將數(shù)據(jù)以FAT16文件系統(tǒng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在SD卡上，方便數(shù)據(jù)回放和上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的管理；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善、應(yīng)用范圍極廣，可以方便地應(yīng)用于其他領(lǐng)域。

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