基于MSP430F5529及CC2540的智能型低功耗心电监测仪

【作　者】龚　元，曹　瑾，罗泽惠，周国辉

复旦大学电子工程系，上海市，200433

基于MSP430F5529及CC2540的智能型低功耗心电监测仪

【作者】龚元，曹瑾，罗泽惠，周国辉

复旦大学电子工程系，上海市，200433

该文提出了一种智能低功耗心电监测仪的设计方案。该设计应用最新的低功耗单片机技术和蓝牙4.0标准，能在极低的功耗下实现监测仪与多平台智能设备的交互。医用拓展端可以实现显示心电图及心率曲线、读取已存储的异常心电图、调节报警阈值等功能，适合医生随访时使用。

心电监测；低功耗；智能设备；MSP430F5529；CC2540

0　引言

世界卫生组织发布的《2014年全球非传染性疾病现状报告》显示，全球每年约有1 750万人死于心血管疾病，占全球每年死亡总数的31.25%[1]。我国的心电监护设备普及率仅为20%，远低于发达国家80%的水平[2]。常规的心电监护设备往往价格较高、携带不便、操作复杂，因此，设计一种低成本、低功耗、易使用的心电监测设备，具有重要的应用价值和现实意义。

不少学者已经做了很多相关的研究[3-6]。然而，这些研究的设计方案普遍存在以下的问题：①信号采集的抗干扰能力较弱；②未采用最新的芯片技术，导致外设较多，从而难以实现低功耗；③需要连接电脑进行信号分析，且仅配备普通的显示屏，操作复杂。

本文提出了一种新颖的设计方案：通过高性能模拟前端放大电路采集心电信号，选用高集成、低功耗的TI公司MSP430F5529单片机，配合合理的算法准确计算出实时心率并显示，对于异常心电波形进行监测、报警并存储。外设则包括TI公司CC2540 BL E4.0蓝牙模块和触摸式医用拓展端等。通过蓝牙模块，监测仪可与智能设备(iOS或Android操作系统)交互。触摸式医用拓展端适合医生在随访时使用，它具有实时显示心电图和心率曲线、读取存储在单片机内的异常心电图、调节报警阈值等功能。本方案具有低功耗、低成本、高精度、抗干扰、多功能、易操作、易携带等特点，大大方便了用户进行心率检测和心电监护。

1　方案设计及实现

本方案的系统框图如图1所示，大致可以分为三个部分：前端放大电路、单片机控制系统、外部设备。

图1　方案的硬件系统框图Fig.1　Hardware block diagram of the system

通过纽扣电极采集到心电信号后，在前端放大器内将幅度较小、干扰较大的信号进行放大和滤波。单片机控制系统一方面将信号进行模数转换并计算心率，另一方面控制外部设备的工作。外部设备包含蓝牙收发模块、医用拓展端、段式液晶屏、蜂鸣器，可以实现与智能设备的交互、监测仪参数的调节、报警及显示等多种功能。

除了医用拓展端，系统的其它功能模块均由3.7 V锂电池供电。

1.1前端放大电路

为了将信号较好地放大调理并保持较低的功耗，系统采用TI公司TPS73033线性稳压电源芯片和INA826、OPA4330等低功耗高精度运算放大器；采用单端供电方案，最低供电电压可以低至2.7 V。

前端放大电路的设计如图2所示。按标准I导联方式，通过纽扣电极采集心电信号后，经过仪表放大器INA826的前级放大，并加入右腿驱动电路以抑制共模干扰。然后使用低通、高通滤波器将频带限制在心电信号的主要频谱范围0.01 ～ 100 Hz，并特别注意滤除50 Hz工频干扰。最后再经过500倍放大，使得信号动态范围适合MSP430F5529自带的ADC，以获得较好的模数转换精度。

图2　前端放大电路图Fig.2　Front-end amplifier circuit

1.2单片机系统

MSP430系列单片机是TI公司于1996年开始推出的超低功耗、具有精简指令集（RISC）的16 bit混合信号处理器。与其他单片机相比，该系列单片机具有超低功耗、片上外设丰富等优势，非常适合低速心电信号的处理[7]。

本系统选择MSP430F5529作为控制芯片。在MSP430系列芯片中，采用MSP430F5529不但能满足功能要求，整体的功耗和成本也是较低的。这是因为：① MSP430F5529内置一个12 bit ADC，完全能满足本系统所需要的精度，省去外置ADC的开销；②MSP430F5529内置3个DMA通道，使得数据不需要经过CPU即可在各外设间传输，极大地降低CPU的工作时间，从而降低功耗；③ MSP4305529有较高的频率及存储器，这个优势在存储异常心电波形时将得到充分的体现，也省去外部存储器的开销。

1.2.1接口设计

MSP430F5529集成了丰富的片上外设，包括12 bit ADC、3通道DMA和4个通信接口USCI等，为心电信号的处理提供了极大的便利。模拟前端放大滤波后的心电信号可直接送入单片机，由片上ADC进行采样。参照美国AHA心电数据库，兼顾波形的完整性及数据量的大小，ADC的采样率取为250 Hz。模数转换结果经DMA通道直接按顺序存入一块连续的存储器中。DMA通道采用重复单次传输模式，当存储数据到达1 000点即4 s时，DMA触发中断，唤醒CPU进行心率计算。计算结果经通信接口发送出去，缓冲器中的数据也是通过另一个DMA通道自动传送的。

1.2.2算法设计

关于心率测量，简单的计算思路是在一段心电信号中检出R波并计算其间隔。R波检测算法已经比较成熟[8]，但是大都较为复杂，需要占用较多的单片机资源。为减少单片机资源占用率并降低功耗，设计了一种心率计算算法。该算法针对不同幅度的信号、噪声干扰、基线漂移具有一定的鲁棒性，且计算量较小。算法流程如图3所示，具体步骤为：

图3　心率计算流程图Fig.3　Flowchart of heart rate computing

(1) 差分运算 心电信号的R波具有峰值高、斜率陡峭等显著特点。利用差分运算有效地滤除低频噪声，纠正基线漂移，从而在R波波峰处形成极值点，可以突出R波的以上特征。

(2) 均值滤波 采集到的心电信号带有高频噪声，差分运算也会引入高频成分，采用均值滤波可将其去除。其中，窗口尺寸根据调试的经验取为9点。

(3) 阈值计算 取该段信号中最大峰值的0.6 ～ 0.8作为阈值。

(4) 检测R波 将同时满足极大值和超过阈值两个条件的点判为R波波峰。

(5) 心率计算 根据R波波峰位置，计算出平均R波间期，据此计算一分钟的心跳次数。

1.3 外部设备

为方便使用，本系统设计了丰富的外部设备。使用段式液晶及蜂鸣器等基本外设实现显示、报警等简单功能。段式液晶具有体积小、功耗低、配置简单、不占用资源等优势，只需在每次完成计算后将心率结果进行刷新。蜂鸣器可在心率超过阈值时报警。此外，还可以通过蓝牙通讯模块与智能手机交互，或通过串口连接到医用拓展端。在整个心电监测系统中，每个外设之间相互独立，在程序中可分别设置开启或关闭。

1.3.1蓝牙通讯模块

近年来，智能手机、平板电脑等智能设备的应用越来越普及，本系统利用蓝牙模块实现心电监测仪与智能设备的交互。通过基于蓝牙4.0的通讯模块，用户可以在智能手机上方便地查看自己的心率情况，并将心率曲线远程发送给医生。从功耗的角度来看，这样的设计允许监测仪本身不用显示，可以大幅降低功耗。

蓝牙4.0协议是2010年6月发布的最新标准。由表1可以看到，蓝牙4.0相对于蓝牙2.1/3.0具有以下优势：① 发送数据时间极短；②最大操作电流仅为前代的一半，综合耗电量仅有蓝牙2.1/3.0的1% ～ 50%。蓝牙4.0有两种模式：Bluetooth Low Energy（BLE）模式，只能与4.0协议设备通信，适用于节能且仅收发少量数据的设备；Basic Rate / Enhanced Data Rate（BR/EDR）模式，向下兼容，适用于收发数据较多的设备[9]。为实现低功耗设计，本方案采用BLE 4.0。

表1　蓝牙4.0与蓝牙2.1/3.0的主要参数Tab.2　Main parameters of Bluetooth 4.0 and Bluetooth 2.1/3.0

CC2540是TI公司的蓝牙4.0智能无线微处理器，它支持4种发射功率选择：2.51 mW、1 mW、0.251 mW和0.005 mW，有效通信距离分别为30米、10米、7米和3米。为保证较为稳定的应用，本方案采用最大的有效通信距离。另外，采用蓝牙联盟规范发布的低功耗蓝牙应用Heart Rate Profile(HRP)，使得该芯片可以跨平台地与智能手机互动而不需要安装额外的应用[10]。利用MSP430F5529的串口与蓝牙模块进行通讯，设置波特率为19200 Bd，一次发送一个字节。

1.3.2医用拓展端

本系统的另一个创新是智能化医用拓展端。利用医用拓展端，在患者复诊或医生随访时，医生可以将心电监测仪中记录的异常心电波形读出，更准确地判断患者的心脏疾病情况。同时，医生也可以根据患者的情况调整心电监测仪报警和记录异常心电的阈值。

医用拓展端采用广州大彩光电科技有限公司的DC80480B070触摸屏实现。该触摸屏除了显示与触摸模块外，还具备M3 + FPGA的控制模块，其中M3负责解析指令，FPGA则控制显示模块。触摸屏本身可以用VisualTFT软件进行图形化界面的编程，在MSP430上只需通过若干条指令即可实现对触摸屏的控制。这样的设计可以提高系统的稳定性，并可以降低CPU的使用率，从而降低功耗。

2　测试结果及分析

2.1心率计算准确度及抗干扰能力

首先使用FLUKE®Prosim 8生理体征模拟器进行测试。调整模拟心电信号的频率，当心率从30 bpm到360 bpm时，心电监测仪的输出信号质量始终良好（如图4所示），且心率计算值与设置值完全一致。这说明系统具有较好的频率响应，且心率计算方法精确有效。

图4　系统输出的心电波形（左：30 bpm，右：360bpm）Fig.4　Output ECG signals of the system (left: 30 bpm, right: 360 bpm)

使用FLUKE®Prosim8分别输出带有50 Hz噪声、呼吸漂移伪差的心电信号（干扰强度均为100%），实验结果分别如图5、图6所示，可见系统能够有效去除这些干扰，并准确计算出心率值，监测系统具有较强的抗干扰能力。

图5　当输入带有100% 50 Hz干扰时系统的输入与输出信号Fig.5　Input and output of the system when adding 100% 50 Hz noise to the signal

图6　当输入带有100%呼吸漂移伪差时系统的输入与输出信号Fig.6　Input and output of the system when adding 100% respiration drifts to the signal

对实际人体心电信号进行测试。使用纽扣电极，按标准I导联方式接入，得到的心电信号如图7所示，信号上附加的噪声较小，且P、QRS、T等各个时相的波形能够清晰显示。

图7　接入人体信号时的系统输出Fig.7　Output signal of the system when tested on the body

2.2智能应用

在Apple iPad mini（iOS操作系统）及Google Nexus 7（Android操作系统）设备上分别安装TI multitool及Nordic软件，测试结果如图8所示。两台设备均能自动识别HRP，并准确稳定地显示心率，且可将心率曲线发送至远程。

图8　监测仪与智能设备的连接Fig.8　Interaction between the monitor and smart devices

将医用拓展端连接至监测仪，通过触摸屏能够方便地查看实时心电图和心率曲线，如图9所示。也可读取存储在单片机内的异常心电图，调节报警阈值等，达到预期的设计目标。

2.3系统功耗

在单片机系统中，除了心率计算过程外，MSP430F5529在其他时间都处于低功耗模式。这是因为，模数转换、存储和通信过程都由片上低速时钟控制，按照设定的时序各自完成功能，不需要CPU进行任何干预。这种方式确保大部分功能由硬件完成，程序不会被阻塞，CPU只处理与计算相关的任务，利用率达到最高，系统的功耗大大降低。

使用电流表测试心电监测仪的功耗。由于医用拓展端在应用场景下自带电源，没有功耗要求，故不计入功耗。经测试，本系统的功耗为P = 2.0 mA × 3.7 V = 7.4 mW，大约相当于一款市售主流品牌便携式心电监测仪的1 / 10，且后者不具备蓝牙功能。如使用一块200 mAh的电池，连续使用时间可以达到100 h。

图9　医用拓展端的演示Fig.9　Demonstration of the clinical expansion part

3　结语

本文采用TI公司低功耗单片机MSP430F5529及低功耗蓝牙4.0片上系统CC2540，提出了一种智能心电监测仪的设计方案，可以实现监测仪与多平台智能设备的交互，也可以与智能化医用拓展端连接，供复诊或随访使用。本监测仪具有低功耗、低成本、高精度、多功能、易携带等特点，可以大大方便用户进行心率检测和心电监护。在智能设备越来越普及的今天，本设计具有良好的应用前景。

[1] World Health Organization. Global status report on noncommunicable diseases 2014 [R]. Geneva: WHO, 2014.

[2] 智研咨询集团. 2014-2018年中国心电监护仪市场分析预测与发展趋势研究报告[R/OL]. http://www.chyxx.com/ research/201404/236274.html.

[3] 苏维嘉, 张金纲. 低功耗便携式心电仪的设计[J]. 电子技术应用, 2011, 37(12): 37-39.

[4] 余文琦, 邓建国, 张鹏辉, 等. 基于Android的低功耗移动心电监控系统设计与实现[J]. 电子世界, 2013(21): 130-131.

[5] 石波, 张根选, 曹阳. 手持式快速心电检测仪设计[J]. 中国医疗器械杂志, 2013, 37(2): 109-111.

[6] 杨鹏程, 李永勤, 陈碧华. 便携式家庭心电监护记录仪的研制[J].中国医疗器械杂志, 2012, 36(5): 329-332.

[7] 沈建华, 杨艳琴. MSP430超低功耗单片机原理与应用[M]. 北京:清华大学出版社, 2013.

[8] 杨建利. 心电信号的R波检测及自动分析算法研究[D]. 河北大学, 2013.

[9] 欧阳骏, 陈子龙, 黄宁淋. 蓝牙4.0 BLE开发完全手册: 物联网开发技术实战[M]. 北京: 化学工业出版社, 2013.

[10] Texas Instruments Corporation. CC2540 Datasheet[EB/OL]. http:// www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2540.pdf

A Smart Low-Power-Consumption ECG Monitor Based on MSP430F5529 and CC2540

【 Writers 】GONG Yuan, CAO Jin, LUO Zehui, ZHOU Guohui
Department of Electronic Engineering, Fudan University, Shanghai, 200433

A design of ECG monitor was presented in this paper. It is based on the latest MCU and BLE4.0 technologies and can interact with multi-platform smart devices with extra low power consumption. Besides, a clinical expansion part can realize functions including displaying the real-time ECG and heart rate curve, reading abnormal ECG signals stored in the monitor, and setting alarm threshold. These functions are suitable for follow-up use.

ECG monitor, low power consumption, smart device, MSP430F5529, CC2540

TH772.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.04.002

1671-7104(2015)04-0240-04

2015-04-09

上海市生物医药领域产学研医合作项目（13DZ1941802）

龚元，E-mail: yuangongfdu@gmail.com

周国辉，博士，讲师，E-mail: zhough@fudan.edu.cn