心电采集仪设计及在实验教学中的应用

摘 要：为了提高生物医学工程专业学生的综合应用能力和实践创新能力，开发了一款基于MSP430单片机的低功耗心电采集仪，并应用于“现代医学仪器原理及设计”课程的实验教学中。心电采集仪基于模块化思想设计，学生可自主设计各个模块，焊接调试后接入采集仪观察结果。实践表明，借助该实验平台能激发学生的实验兴趣、加深学生对生物医学工程相关知识的理解与掌握、提高专业知识与技能的综合运用能力和实践创新能力。

关键词：心电采集仪；MSP430单片机；模块化；设计；实践创新

中图分类号：TH772 文献标志码：A 文章编号：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单片机的低功耗心电采集仪并应用于“现代医学仪器原理及设计”课程的实验教学。该系统将生物传感器、模拟数字电路、单片机、Android应用开发与“现代医学仪器原理及设计”课程的相关知识整合应用，有效的将理论学习与实践训练结合。在实验教学中，通过原理仿真、焊接调试、连线测试、制作单元电路和编写程序，提高学生的动手与设计创新能力；学生以自身为测试对象，能更好地激发其学习热情，实验效果更显著[1-3]。

1 总体设计思路

采集仪从对基本电路的学习应用与实践创新两个层面入手，指导学生将所学内容应用于工程实践。基于模块化思想设计的心电采集仪有利于学生分析、掌握单元电路；学生也可自行设计采集仪的单元电路，完成焊接调试，将其接入本采集仪中完成心电信号的检测；同时也有利于对系统进行功能扩展和性能优化[4、5]。

采集仪基于超低功耗单片机MSP430F5529和Android手机设计，分为硬件电路和软件程序。硬件电路包括：心电信号调理电路，数据采集电路和电源电路。调理电路即模拟电路部分，主要完成心电信号的放大、滤波、电平调整等；数据采集电路即数字电路部分，主要完成心电信号的A/D转换、心率计算、无线通信等；电源模块提供系统需要的电压，系统采用电池供电。软件即手机APP程序，主要完成心电信号的显示和数据的保存。心电采集时使用标准的医用心电导联线与心电电极能够减小干扰[6-8]。心电采集仪框图见图1。

2 硬件电路设计

如图1所示，采集仪的硬件电路主要包括电源管理电路，心电信号调理电路和数据采集电路。

2.1 电源管理电路

电源管理电路主要完成电压的转换和分配：把两节18650电池提供的电压转换为±5V供给心电信号调理电路和数据采集电路。电路由LM317完成稳压，提供+5V输出；由TPS60400完成+5V到-5V的转换，经π型滤波后输出-5V。

2.2 心电信号调理电路

心电信号调理电路即模拟电路部分，包括前置放大器、带通滤波器、主放大器，电平调整电路和50Hz工频陷波器；其组成见图1。首先使用具有高输入阻抗、高共模抑制比的仪用运放和右腿驱动电路完成前置放大，放大倍数为10；前置放大器能夠提高系统的输入阻抗和共模抑制比。使用通带为0.05～100Hz的带通滤波器进行滤波并将信号放大4倍。主放大器放大倍数为75。使用单片机内置的AD转换模块，其输入范围为0～3.3V，故需进行电平抬升。50Hz陷波器采用双T型结构[9]。

2.2.1 前置放大器

前置放大器的主要目标是提高系统的共模抑制比、输入阻抗并抑制噪声，常选用高共模抑制比的仪用放大器。本设计采用ADI公司的AD620，其具有高共模抑制比、高精度、低噪声、低成本、使用方便等特点，通过调节一个外接电阻阻值即可完成放大倍数的设置。右腿驱动电路是抑制工频干扰的有效手段，把仪用放大器提取的工频干扰连接到心电导联线的屏蔽层上能够有效抑制导联线受到50Hz工频干扰。

2.2.2 带通滤波器

心电信号频率主要为0.05～100Hz，能量集中在1～30Hz。因此需对0.05～100Hz的心电信号进行保护，滤出此频带之外的信号。实际电路中，用两个运算放大器分别构成二阶压控电压源型低通和高通滤波器，低通和高通滤波器的截止频率分别为0.05Hz和100Hz。

2.2.3 主放大器

从心电传感器获得的信号幅值最大约为1mV。前置放大器和带通滤波器的增益为40倍，而要获得清晰的心电信号至少需要将其放大一千倍。因此用主放大器对心电信号放大75倍，使输出信号最大值约为3V。

2.2.4 电平调整电路

设计中使用MSP430单片机内置AD模块，其输入范围为0～3.3V，因此需对放大后的心电信号进行电平调整。电平调整电路包括基准电压源和一个由运算放大器构成的同相加法器。基准电压源由电阻分压器产生，并经跟随器后与心电信号相加完成电平调整功能。

2.2.5 50Hz陷波器

在心电采集仪中对50Hz工频干扰进行有效抑制是获得良好心电信号的前提。在前置放大器中采用右腿驱动技术能够抑制来自人体的工频干扰，采用经典的双T型带阻滤波器构成4阶50Hz陷波器能进一步抑制工频干扰。

2.3 数据采集电路

数据采集电路即系统的数字电路部分，其组成见图1；包括MSP430F5529单片机，OLED显示器，HC-06低功耗蓝牙模块。

数据采集电路的任务包括心电信号的数字化，计算心率并显示在OLED液晶屏上，将数字化后的心电数据通过蓝牙发送给手机等。A/D转换使用单片机内置的12位ADC模块，利用单片机的I/O口驱动液晶显示，使用单片机内置的UART接口与蓝牙模块进行数据传输。在本设计中，将自带仿真器的MSP430F5529最小系统板MSP430F5

529 LaunchPad直接集成到数字电路板上能极大降低实验成本。

3 软件设计

系统的软件流程图见图2，可以将系统的软件分为单片机程序和手机APP软件两个部分。

3.1 单片机程序设计

单片机软件程序按照模块化和低功耗的思想设计。该部分程序可分为五个大的模块，分别是主程序，A/D转换，心率计算，显示驱动，UART通信。每个模块都由对应的中断服务子程序完成，以实现低功耗。

3.2 手机APP软件设计

手机APP程序主要包括人机交互界面的设计和心电数据采集、显示及存储。手机APP程序的功能包括与蓝牙模块建立通信连接，显示接收到的心电数据波形和心率，存储心电数据，对心电数据进行基本分析等，如心率过高或过低会产生振动报警。手机APP程序的界面见图3。

4 在教学中的应用

在“现代医学仪器原理及设计”课程的理论教学中分析了心电采集仪的组成和原理，用Multisim软件对心电信号调理电路进行了原理仿真；通过实验教学环节进行验证和实践创新设计。

4.1 验证型实验

实验开始对采集仪的组成和各个单元模块电路都有清楚的认识，明确实验过程与注意事项。

（1）焊接调试。实验开始时，学生两人一组完成调理电路PCB板的焊接调试。调试时使用直流稳压电源给PCB板提供±5V电压，使用SKX-2000C型标准心电信号源模拟心电信号以加快调试进程、降低调试难度。学生在逐个单元电路的焊接调试过程中能很好的掌握其原理和作用。通过焊接调试的方式比连线方式更能让学生掌握典型调理电路的结构和功能，提高学生的实践动手能力。

（2）连接测试。完成调理电路PCB板的焊接调试之后，将其与电源模块和数字电路板连接，打开预先下载的手机APP程序，引入心电信号就可以进行观察测试。首先把（1）中所述的标准心电信号源心率设为60，引入采集仪，观察标准心电信号的特点；图4（a）为在手机APP界面上观察到的心电信号。然后观察50Hz陷波器的作用，图4（b）为某同学滤波之后的心电信号。

4.2 创新设计型实验

在学生完成验证型实验并完全掌握采集仪的工作原理后，要求学生基于所掌握的知识并查阅文献，对采集仪或单元电路进行创新性设计，完成电路的实际制作。学生不仅可以设计制作单个电路模块，也可以重新编写单片机或手机APP程序，优化扩展采集仪功能。

5 结束语

本文所开发的心电采集仪将“现代医学仪器原理及设计”等课程的理论知识与实践创新训练融为一体；是基于单片机的硬件开发与面向对象高级程序设计的结合。其具有神经电生理信号采集系统的一般结构和典型电路，能加深学生对相关知识的理解和掌握。在实验过程中，学生以自身为测试对象、使用自己手机观察心电信号，激发了学习热情和参与度；自己动手进行焊接调试、编写程序代码，提高了学生的成就感与实践创新能力。实验训练效果明显，在2016年四川省电子设计大赛中获二等奖2项、三等奖1项，在2016年全国生物医学工程创新设计竞赛中获全国二等奖2项。该采集仪性能稳定、功耗低、使用简单方便，在手机APP上增加数据上传功能就可以应用于心电的远程监护。

参考文献：

[1]宋勐翔，陈兰岚.基于ADS1298和STM32F407的心电采集与显示系统设计[J].现代电子技术，2015，38（13）：141-144.

[2]赵晓明.基于单片机的心电采集实验平台设计与实现[J].实验技术与管理，2013，30（12）：82-86.

[3]徐曉玲，余镇，张明辉，等.基于NI ELVIS的心电测量实验系统设计[J].实验技术与管理，2016，33（7）：100-103.

[4]葛亚明，吕淑平.心电检测技术在实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2014，31（2）：41-44.

[5]王辉，刘胜，田凯，等.心电测试仪开发及在教学中的应用[J].实验技术与管理，2015，32（2）：77-81.

[6]孙旭东，张跃.集成于智能手机的心电监护仪的设计与实现[J].计算机工程与设计，2014，35（7）：2344-2349.

[7]何彪，周开班.基于智能手机的远程实时心电监护系统[J].计算机工程，2009，35（12）：248-250.

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