基于ADS1298R的ECG信号采集终端的设计

【作 者】曹昌盛，伍守豪，吴京兰，徐铭

1 深圳清华大学研究院数字电视系统重点实验室，深圳市，518057

2 深圳市南山人民医院重症医学科，深圳市，518067

3 深圳大学信息工程学院，深圳市，518060

基于ADS1298R的ECG信号采集终端的设计

【作 者】曹昌盛1,3，伍守豪1，吴京兰2，徐铭3

1 深圳清华大学研究院数字电视系统重点实验室，深圳市，518057

2 深圳市南山人民医院重症医学科，深圳市，518067

3 深圳大学信息工程学院，深圳市，518060

该文以TI公司的MSP430F6659和ADS1298R芯片为核心，设计了面向家庭健康监护的心电信号采集与显示终端。首先介绍了心电采集的基本原理，然后以MSP430F6659和ADS1298R芯片为核心阐述了系统总体方案，并介绍了其外围接口、心电波形LCD实时显示、数据存储、USB与上位机通信等模块。所设计的ECG信号采集终端具有体积小、功耗低等特点。

ECG信号采集；ADS1298R；心电导联；MSP430F6659

0 引言

心脏搏动时，心肌在激动过程中会产生微弱的电流，称之为心电。通过测量电极将某体表部位的电信号传导出来，再经过信号放大和滤波电路的处理，并用记录器描记下来，画出的变化曲线即为ECG(心电图)[1-2]。心电信号具有随机性强，噪声背景性强，信号频率低等特点，有大量的直流成分，去掉直流后主要频率范围是(0.05～100) Hz，大部分能量集中在(0.05～40) Hz。人体心电信号是反映心血管功能的重要生理参数。随着科技的发展和人们生活质量的日趋提高，人们对自身身体状况的关心和关注越来越明显，便携式心电监护设备受到越来越多的青睐。本文以家庭和社区应用为出发点，设计了一种心电采集系统，采用TI的超低功耗芯片MSP430F6659和模拟前端ADS1298R方案，具有体积小、功耗低的特点。

1 系统方案

本文的硬件电路以TI公司模拟前端ADS1298R芯片和低功耗16位单片机MSP430F6659为核心，辅以外围电路如电源电路、单片机复位电路以及USB接口电路等电路而进行设计。方案设计简单，不需要复杂的信号采集、放大、处理电路，只需简单的芯片接口配置和寄存器配置就能完成ECG心电信号的采集、显示、存储以及传输。其硬件系统方案如图1所示。

图1 采集前端硬件方案框图Fig.1 The block diagram of the front-end hardware

2 硬件设计

2.1 采集前端

本文采用TI公司的ADS1298R芯片作为心电信号采集前端，ADS1298R是一个具有8通道24位模数转换器的集成模拟前端，主要用于心电信号的采集[3]。ADS1298R还具有内置的可编程增益放大器（PGA），内部基准时钟和一个晶体振荡器，每个通道的抑制比大于110 dB，输入阻抗为10 MΩ，A/D转换器的采样率500 Hz～32 kHz可调。ADS1298R芯片内部集成有右腿驱动电路，威尔逊中心电端和导联脱落检测电路等，简化了电路设计的复杂度，具有所有医疗心电和脑电信号采集要求的所有特性。借助于其高度的集成特性和出色的性能，ADS1298R可以大大减小医用消费电子产品的尺寸、功率和总体开发成本，延长便携式医疗器械的使用/待机时间。

ADS1298R采集前端通过导联和人体连接，导联可分为肢体导联和胸导联[4-5]。以右腿为参考，LA(左臂)、RA(右臂)、LL(左腿)分别和RL(右腿)之间的电势差为三个标准肢体导联：I、II、III；以心脏为中心即威尔逊中心电端，左腿、左臂、右臂与心脏的点位差构成三个单级肢体导联：aVR、aVL、aVF；V1～V6六个胸部电极与威尔逊中心电端的电位差构成6个胸导联。每个导联的输入端加入过压保护电路和滤波电路，在具体的测量过程中选择肢体导联或者胸导联。

2.2 MCU及外围模块

本文采用TI公司的MSP430F6659作为主处理芯片，主要完成读取ADS1298R转换的数据，将其处理后根据需要进行存储、显示和传输。MSP430F6659具有高性能、低功耗的特点[6]，能在25 MHz晶振的驱动下，实现40 ns的指令周期。16位数据宽度、40 ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，指令速度可达25 MIPS。MSP430F6659包括4分16位定时器，一个高性能12位模数转换器，3个串行通信接口，一个报警功能的时钟模块，1个比较器以及USB2.0和74个通用I/O口[7]。这些丰富的接口资源可以省去大量的外围电路设计，使系统更加简洁。

存储部分采用容量为4 GB的MicroSD卡，具有体积小、成本低、可以方便的移植文件系统，编程方便等特点。本设计中当采样率为500 Hz时，可以连续存储48 h以上无压缩的8通道心电数据。

显示部分采用屏幕大小是7.0 in(1 in=25.4 mm)，分辨率为800×480的多功能总线型LCD彩色显示屏幕。显示模块可以提供文字与绘图模式功能，可结合文字或 2D 图形应用。特有的 BTE 功能， 能够完成各类图形文字处理， 提高 MCU 软件执行效率。MCU将采集的数据发送至LCD，实现实时心电波形、实时采集数据的参数和计算结果的显示。

与PC的通信模块采用MSP430F6659内部集成的USB模块，该USB模块是基于USB2.0设计，可以使用锁相环倍频至48 MHz，内部提供丰富的API接口，包括大容量存储设备（MSC）、人机交互设备类（HID）、基于虚拟串口的设备类（CDC）、国际通用医疗卫生专用的设备类（PHID）四种通信设备类。本文采用CDC的通信设备类，实际速率可以达到（200～300）byte/s，满足心电采集的速率要求。整体的外围接口设计如图2所示。

图2 MCU外围结构框图Fig.2 MCU external structure diagram

3 软件实现

3.1 ADS1298R的软件配置

ADS1298R的初始化首先要初始化芯片需要的时钟，是否使用外部晶振，设置复位操作，等待上电稳定，配置外部参考电压，配置各个功能寄存器，选择自定义功能等。这些配值可以完成ADS1298R的功能选择，配置需要的功能模式，其初始化流程图如图3所示。其中最主要的是设置连续采集与单次采集模式、设计右腿驱动及胸导联的工作模式等。

ADS1298R的转换数据分为两种，一种是单次读取，命令为RDATA(12 H)，在该工作模式下每发送一次RDATA命令读取一次采集数据。第二种方式为连续读模式，命令为RDATAC(10 H)，在该模式下为连续转换连续读取，当一次转换的数据准备好后信号引脚变为低电平，表明可以读取转换数据，此时连续发送27 byte的测试信号以读取所有的转换结果，拉高。当数据全部读出后等待下次引脚电平变化，当电平变低时再读取数据。停止转换数据时发送STOP(0A H)命令，发送开始转换命令START(08 H)再次开始转换数据。

图3 ADS1298R的初始化流程Fig.3 ADS1298R initialization process

3.2 采集终端软件实现

本软件部分采用模块化的设计思想，对各个模块分别设计，再将模块的功能整合成API功能函数的接口。主程序中调用API接口，实现心电信号采集终端的软件设计，完成心电数据的采集，整体的软件实现流程如图4所示。

图4 采集终端的软件流程图Fig.4 Software flow chart of acquisition terminal

根据图4软件实现流程图，软件实现的流程为：首先完成各个模块的上电初始化，包括ADS1298R初始化、USB接口初始化、LCD和MicroSD卡初始化、时钟初始化、定时器初始化等，能使全局中断。

其次完成采集终端的功能配置。功能配置的第一步是选择采集终端的工作模式，工作模式分为USB模式和存储模式，两种模式下都实时显示心电波形。选择USB模式时，应用基于虚拟串口的USB接口将采集终端采集的心电数据传输至电脑端的上位机并保存起来；选择存储模式时，采集终端将采集的心电数据保存在MicroSD卡中。MicroSD卡采用移植小型的FatFs文件系统，可以方便地进行数据存储和操作。ADS1298R设置为500 Hz的采样频率采集数据，每次采样采集8个通道的转换数据，读取数据时再加上一个ADS1298R的状态数据，每个数据24位精度，即每次采样为9×3 byte = 27 byte的数据，MicroSD卡可以连续存储48 h以上的数据。完成工程配置后进行心电数据采集，采集的同时将心电波形在LCD上实时显示。

4 结果和测试

本文设计的采集终端样机的实物图如图5所示，连接上肢体导联，按键选择心电测量，LCD显示屏幕上实时显示心电波形图，对不同的人进行测试，测试结果表明，对不同的人均能正确显示心电波形。

图5 实物演示Fig.5 Physical demonstration

5 总结

本文采用基于TI公司的ADS1298R芯片模拟前端和MSP430F6659超低功耗MCU方案设计的心电信号采集终端，可以完成在LCD上实时显示心电信号波形；同时将数据存储在MicroSD卡中，能够连续存储48 h以上的无压缩数据，方便用户长时间记录和存储心电数据；可选择将采集的心电数据通过USB接口传输至PC端的上位机并保存，以便对数据进行离线分析。

本设计还可以在以下两方面进行改进：一是使用处理能力更强的MCU，加入心电数据处理的算法，以达到对心电波形实时自动分析的目的[8]。二是充分利用ADS1298R芯片内置的起搏信号检测功能和呼吸阻抗功能等将系统的功能进行扩展，丰富系统功能。

[1] 杨凯华. 浅谈心电图临床应用价值[J]. 医药前沿, 2014(7): 346-347.

[2] 李中健, 李世锋, 申继红, 等. 心电图学系列讲座 (四)——心电图基本原理和测量及各波段命名[J]. 中国全科医学, 2014, 17(4): 481-482.

[3] TI. ADS1298 datasheet [EB/OL]. [2012-12-24]. http://www.ti.com/ lit/ds/sbas459j/sbas459j.pdf.

[4] 郭继鸿. EASI 导联衍生12导联的原理[J]. 临床心电学杂志, 2008(3): 163-167.

[5] 王立群. 心电图的形成原理[J]. 心电图杂志(电子版), 2013(3): 130-130.

[6] 任保宏, 徐科军. MSP430单片机原理与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2014.

[7] 魏厚杰, 金安. ADS1298模拟前端的便携式生理信号采集系统[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2012, 12(2): 36-39.

[8] 罗晖. 心电图机自动分析算法的研究与实现[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2013.

Design of ECG Signal Acquisition Terminal Based on ADS1298R

【Writers】CAO Changsheng1,3, WU Shouhao1, WU Jinglan2, XU Ming3
1 Digital TV System Key Laboratory of Research Institute of Tsinghua University in Shenzhen, Shenzhen, 518057
2 Department of Critical Care Medicine of Nanshan People's Hospital in Shenzhen, Shenzhen, 518067
3 School of Information Engineering, Shenzhen University, Shenzhen, 518060

The home health monitoring of the ECG signal acquisition and display terminal is designed with MSP430F6659 and ADS1298R chip of TI company. The basic principles of ECG collection is introduced in the beginning, and then the overall scheme of the system is described by MSP430F6659 and ADS1298R chip as the core, and the modules peripheral interface, real-time display in LCD, data storage and USB are introduced. The ECG signal acquisition terminal designed in this paper has the characteristics of small size, low power consumption and so on.

ECG signal acquisition, ADS1298R, ECG lead, MSP430F6659

TH772；TN911.7

A

1671-7104(2017)01-0023-03

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.01.007

2016-04-27

深圳市科技计划项目（CXZZ20130516153930222）

伍守豪，E-mail: wush@tsinghua-sz.org