基于MSP430的便携式心率计的设计

作者：西安通信学院 郝东来 罗文 张海峰 朱沼宇

在消费电子领域，便携式电子产品由于体积小、质量轻的特点越来越受到消费者的喜爱，已成为人们生活中不可缺少的部分。基于这个思路，我们设计了一款便携式心率计，它可以替代用脉搏听诊器等进行测量的传统方法，使用非常方便。该产品主要包括三个部分：信号的采集、数据处理以及LED显示和报警电路。

系统总体设计
图1为本系统的原理框图。



图1 系统结构框图

如图1所示，从传感器检测到的脉搏信号转化为电压信号送入电压跟随器，起到缓冲的作用，使前级和后级隔离开来，避免相互干扰。输出的信号经前置放大后送入高通滤波器，以滤除传感器的热电干扰，再经过低通滤波器滤除环境中的高频干扰。处理完的信号送入后级继续放大以便得到干扰小且清晰的信号，此信号经比较器和二极管整流后直接送入单片机处理，以驱动显示电路和报警电路。

系统硬件电路原理图
图2为电路原理图，下面对各模块进行逐一描述。



图2 系统硬件电路原理图


1电压跟随和前置放大电路
电压跟随器的输入信号，即脉搏传感器信号从V+端输入，反馈电阻置零，构成一个同相跟随器，起到缓冲作用，隔离前后级的影响。心音脉搏放大器的功能是将mV级的心音信号放大到V级，以供显示和记录使用。


根据心音脉搏信号的特性，要求放大器具有以下特性：


● 足够高的增益，约800倍。


● 有合适的频带宽度（0.78～ 3.33Hz）


● 因为心音脉搏信号比较微弱，干扰和噪声比较大，要求电路有高输入阻抗来减小信号的损失，有高共模抑制比（大于80dB）来抑制干扰和噪声。


由于在实际应用中，外界信号的干扰，以及考虑到放大器的稳定性，一级放大器不能实现如此大的增益，所以电压放大器一般由两级组成。其中，前级采用负反馈差动放大电路，以提高共模信号抑制比。此部分的关键是如何抑制各种噪声，避免让噪声窜入后级电路。因此在系统中，采用基于双运放电路的微功耗仪表放大器AD620作为心音脉搏信号的前级放大器。为防止产生非线性失真以致损害电路的共模抑制比，该部分的放大倍数不宜过高，选择为1000倍左右。


2 高低通滤波器电路
在本设计中，信号频率较低，在 0.78～3.33Hz之间，因此滤波器的设计成为本电路的关键。首先，要经过一个0.5Hz的高通滤波器，以滤出传感器的热电干扰，然后再经过一个低通滤波器以滤除心音信号的绝大多数干扰。在实现电路中，普通的滤波器已经很难对这么低的信号进行滤波，因此在本设计中采用增益变化较平坦的巴特沃斯滤波器。其中，高通为二阶的巴特沃斯滤波器，低通为截止频率为5Hz的巴特沃斯滤波器。图3为低通滤波的原理图。



图3 低通滤波器原理与性能


3后级放大和比较整流电路设计
心音信号经过前级放大后，幅度还未达到理想的应用值，且还有一定的干扰，因此需要后级放大器继续放大，以达到使用要求。整个电路采用一般的反向放大器模块电路。


比较整流电路的作用是将处理后的信号转化为不含负脉冲的方波，以送入单片机进行处理。该电路由一个过零比较器和整流电路构成，由于送入单片机的信号要求为正电压，所以经过整流电路后，信号将全部转化为正跳沿的方波。


4单片机控制电路
本部分主要包括单片机控制显示电路以及驱动蜂鸣器的报警，具体电路如图4所示。



图4单片机控制电路


图4中，数码管为共阳极结构，74LS164作为数码管的驱动，当输入0时点亮，四个二极管串联起限压保护的作用。图5为JTAG口与单片机的连接图。



图5 JTAG口与单片机的连接


图6为单片机程序流程图。



图6 单片机控制流程图


本系统电路的软件部分能够精确跟踪微小心电信号的频率。所采用的技术是单片机的中断捕获功能以及数学算法误差消除、硬件结构误差消除。


5电源管理模块
本电路采用两块干电池供电，对于大多数电子产品而言，具有普遍性和方便性。由于此单片机为低功耗工作模式，我们选用了升压芯片TPS61210，TPS6110，MAX660作为电源芯片，提供±5V、3.3V的工作电压。


电路测试与数据分析
表1为加入信号频率为0.5～ 5.5Hz，峰峰值为2mv的正弦波信号后各模块电路的输出电压测试数据。


由表中的数据可知，实际测出的值与理论计算的值有所差别，且当输入信号较弱时，输出信号受干扰较大。本电路中，跟随器就受到传感器的很大干扰，因此在实际的测量中，一定要注意电路的抗干扰能力。




外部时钟晶振为32 768Hz，对其进行1/2分频；1Hz捕获上升沿的是时间差，S[Rx]为数据寄存数组；单片机系统采用8MHz DCO。可以看出，该系统可以在误差范围内对1MHz左右的心音信号进行准确的判断。