Application Report
ZHCA428A–January2011–Revised March2011通过使用MSP430G2452微控制器的LaunchPad Value
Line开发包实现基于心电图的心率监测Abhishek Joshi,Sourabh Ravindran,Austin Miller MSP430System Solutions
ABSTRACT
这篇应用报告描述了一种低成本，基于MSP430™LaunchPad Value Line 开发工具包(MSP-EXP430G2)的监测心率解决方案，
此开发工具包使用MSP430G2xx微控制器(MCU)。心电图（EKG）信号在被送到微处理器取样和处理之前已经被一块子板放大和过滤。每分钟心跳数据通过Lanuchpad上的反向通道UART-over-
USB传送给电脑。而且，可以通过一个连接在子板上的六排针的eZ430射频(RF)目标使用SimplicitTI™网络协议来无线传输数据。此系统电源可来自USB电源，一个CR2032
3伏纽扣电池，或者两个AA/AAA电池。
在此应用报告中相关的项目和源程序可以在如下的网络地址下载：
software-dl.ti/msp430/msp430_public_sw/mcu/msp430/EKG-Based-Heart-Rate-
汪峰 存在 下载Monitor/1_00_00_00/index_FDS.html。
Contents
1简介 (2)
2硬件描述 (3)
3软件 (6)
4参考 (7)
Appendix A放大器的选择 (9)
Appendix B使用反向通道UART的USB有线连接演示 (11)
Appendix C通过eZ430射频目标板的无线UART演示 (13)
Appendix D硬件原理图 (15)
List of Figures
1人体心脏解剖图(左）和心电图（右） (2)
2手指检测电路原理图 (3)
3软件流程图 (6)
4心率监测设置（左边）和电脑上的UART输出（右边） (7)
5硬件原理图(1/2页) (15)
6硬件原理图(2/2页) (16)
List of Tables
1LaunchPad端口/引脚功能对应表-左排针 (4)
2LaunchPad端口/引脚功能对应表-右排针 (4)
3电源电流消耗 (5)
4仪表放大器的比较 (9)
5运放的比较 (10)
1 ZHCA428A–January2011–Revised March2011通过使用MSP430G2452微控制器的LaunchPad Value
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TIME
Differential Voltage Between Two Electrodes
Aorta
Left Atrium
Atrioventricular Node Left
Ventricle Heart Muscle
Sinoatrial
Node Right Atrium
Right Ventricle
简介
www.ti
doctor异乡人张亮6
eZ430射频目标板 (13)
1简介
人体心脏心跳的来源是由心脏内的称为窦房结（SA ）[1]
的一堆细胞产生的电脉冲。这个脉冲从窦房结开始，经过心脏周边的细胞，然后到达心房结（AV ）。心房结（AV ）充当一个大门，让脉冲传输到心室之前让心房完成收缩。每个心房抽取血液到各自的心室。右心房抽取血液到右心室给肺部提供血液。左心室的血液来自左心室，左心室抽取血液到全身。
Figure 1.人体心脏解剖图(左）和心电图（右）
心电图(ECG 或者EKG)信号是医学上用于测量人体心脏缺陷和疾病的标准[2]。Figure 1
给出了人体心脏解剖图和心电图的波形。心电图可用来得到一些数据，比如心率，心率值通常为每分钟心跳30到200，或者0.5到4Hz 。
心电图中的R 幅值通常大约为1mV [3]
。此波峰位于一组称为QRS 的波峰组之中，代表了电脉冲在心房之间的传输。当此脉冲通过血液传输时候，我们可以在身体的不同部位检测到它。通常在四肢或者胸部放上电极检测心电图信号。在这篇应用文献中，被测试人的手指被作为和传导垫连接的差分接触点，用来检测心电图信号。
MSP430,SimplicitTI,Code Composer Studio are trademarks of Texas Instruments.IAR Embedded Workbench is a trademark of IAR Systems AB.All other trademarks are the property of their respective owners.2
通过使用MSP430G2452微控制器的LaunchPad Value ZHCA428A –January 2011–Revised March 2011
Line 开发包实现基于心电图的心率监测
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Left Pad
Right Pad
www.ti 硬件描述
2硬件描述
mymoment硬件系统是一块可连接到Lanuchpad 开发工具包的10排针的子板。这块子板有模拟前端原件，电池连接器，排针等，而MSP430微控制器，反向通道UART ，以及eZ430模拟器电路，USB 接口都在Launchpad 上[4]。Appendix D 给出了硬件的电路图。
2.1手指检测电路
此系统使用一种电阻分压器的方案来检测被检测人手指和传导垫的接触情况。此方案的前提条件是人体手指间的电阻是100k Ω到300k Ω，而传导垫之间的电阻显著的大于手指间的电阻，如Figure 2所示。
Figure 2.手指检测电路原理图
当手指和传导垫接触时候，电流流向最小电阻的路径（人体），引起左传导垫的电压变化。此电压被一数模转换器（ADC ）取样，然后转换成的数据和一组阈值比较决定其接触状况是好，坏或者没有接触。微处理器引脚提供电源和地给这个电路，在休眠模式下，可以断开电源和地的连接来减少电源电流消耗。
2.2模拟前端(AFE)
如前面所提到，心电图(EKG)信号峰-峰值大约是1mV 。人体耦合的噪音（比如民用的50到60赫兹交流电信号）对检测低频，低幅的心电图(EKG)信号是一个严重的问题。一个拥有高增益，低截止频率的模拟前端对于心电图(EKG)信号后端的数字转换和处理是必不可少的。由于来自传导垫的共模信号是相同的，用一个简单的差分放大器就可以消除共模信号同时放大输入的心电图(EKG)信号。在此选用的INA332仪表放大器是一个低成本的差分放大器，其共模抑制比对于频率小于10kHz 信号为73dB，静态电流为490µA ，关机电流小于1
µA 。此放大器有一个专门关机引脚，其最低工作电压可低达2.7V 。在文献[3]中总结了在相关应用中更多的仪表放大器选择方式。
INA332被设置成外接0.1%10-k Ω电阻，其电压增益为10V/V 。输入端的传导垫串行连接了51-k Ω的电阻，这样既可以限制从人体来的电流而且可以达到一个RC 低通滤波器的功能。从传导垫到共模电压(VCM)连接着5-M Ω的下拉电阻，其既可以帮助两个输入端电压保持一致，也给电路工作提供了直流偏置点。共模电压(VCM )由一个工作在电压跟随器模式（低输出阻抗）下的通用运放提供，被设置在750mV 。
在此应用中选用的TLV274是一个四核运放，其工作电流是550µA/频道，最小工作电压是2.7V.
因为其共模抑制比为58dB ，所以此运放可用来做成一个二阶Sallen-Key 滤波器，其每级的电压增益是8.5V/V.整个模拟前端的电压增益是10X 8.5X 8.5=722.5V/V，截止频率是16
Hz 。相关应用中更多的通用运放选择方式总结在文献中Heart-Rate and EKG Monitor Using the MSP430FG439（SLAA280）[3]。
从低通滤波器输出的心电图信号已经被放大和预处理，此信号随后被输入到MSP430微控制器的数模转换器频道做转换和处理。INA332的关机引脚和TLV274的V CC
引脚都连接到MSP430一个通用输入输出引脚（GPIO ）被用来启用和禁用模拟前端，此通用输入输出引脚（GPIO ）被设置成低的状态用来减少休眠模式下的电源电流消耗。作为一个预防措施，模拟
前端在传导垫上有保护二极管(TPD2E001)，用来保护在人体静电放电（ESD ）情况下器件不受损坏。
2.3LaunchPad 端口/引脚与功能对应表
LaunchPad 开发包有一个20个接口的PDIP 插槽，14或者20引脚的微控制器可以连接到插槽上。在此应用中使用的MSP430G2452拥有8KB 的闪存，256B 的RAM，一计时器A3和8频道的ADC10[11]。LaunchPad 端口/引脚被设计成和MSP430G2xx 系列器件引脚相匹配。
在Table 1和Table 2中分别给出了LaunchPad 的左排针和右排针端口/引脚功能对应表。
3
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硬件描述www.ti
Table1.LaunchPad端口/引脚功能对应表-左排针
端口/引脚名信号名说明
V CC V DD MSP430的电源(V DD)
P1.0(LED1)LED_RED表示接触不良
P1.1(TXD)UART_TXD UART发射线(TX)
P1.2(RXD)UART_RXD UART接收线(RX)
P1.3(S2)P1_3(SW2)按钮开关
P1.4EKG ADC的输入端，用来取样，过滤，和放大心电图信号
P1.5HAND_LEFT ADC的输入端，用来取样手指检测电路的信号
P2.0无(1)无(1)
P2.1无(1)无(1)
P2.2无(1)无(1)
(1)在此应用中没有使用
Table2.LaunchPad端口/引脚功能对应表-右排针
端口/引脚名信号名说明
GND GND MSP430的地线唐国强演过的电视剧
XIN P2_6手指检测电路的电源V DD
XOUT SHUTDOWN启用/禁用模拟前端
TEST TEST MSP430的Spy-Bi-Wire编程端口
(S1)RST RESET(SW1)MSP430的复位开关（Spy-Bi-Wire编程端口)
P1.7P1_7手指检测电路的地线
(LED2)P1.6LED_GREEN表示接触良好
P2.5无(1)无(1)
P2.4无(1)无(1)
P2.3无(1)无(1)
(1)在此应用中没有使用
2.4eZ430射频目标连接器
这个硬件有一个六排针，排针上有电源和地线的连接线，以及从LaunchPad上来的UART线。这个连接器可以让一个eZ430射频目标，比如说eZ430-RF2500连接来无线传输数据[5]。Appendix C
详细讨论了在不同的频率下的目标板以及使用SimpliciTI无线UART演示软件来编程目标板。所有这些都是和这篇应用报告一起提供给用户的。
2.5工作电源设置
因为子板和LaunchPad连在一起，可以使用多种方法给系统提供工作电源。恬妞老公
NOTE：此系统被设计成在单一时间只能接受一个电源提供工作电源。电源可以是USB，一个CR2032
3伏纽扣电池，或者两个AA/AAA电池。
4通过使用MSP430G2452微控制器的LaunchPad Value ZHCA428A–January2011–Revised March2011 Line开发包实现基于心电图的心率监测Submit Documentation Feedback
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USB电源:
,RXD,TXD,TEST,RST)
1.把LaunchPad上所有的跳线都连接好(V
CC
2.把子板上跳线JP1断开
3.把LaunchPad和电脑用micro-USB线连接好。USB提供5V的电源给一个3.3
V的LDO，LDO给整个系统提供电源。USB同时也作为连接到电脑[4]的MSP430应用UART。
外部电池电源:
1.断开LaunchPad上所有的跳线(V
,RXD,TXD,TEST,RST)。
CC
2.把子板上跳线JP1连接好。
3.把3V CR2032纽扣电池插入B1连接器或者把2个AA/AAA电池插入B2连接器。
Table3给出了系统在不同的电压模式下的电源电流消耗。
Table3.电源电流消耗
系统状态电源电流（典型值）
活动模式(没有连接eZ430射频目标) 2.1mA
活动模式( eZ430射频目标) 2.5mA
睡眠模式(连接eZ430射频目标)(1)2µA
(1)系统处于低功耗模式3(LPM3)。
5 ZHCA428A–January2011–Revised March2011通过使用MSP430G2452微控制器的LaunchPad Value
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软件www.ti 3软件
Figure3给出了这个应用的软件流程图。
2eyes郑多恩 吴世勋Figure3.软件流程图
首先初始化MSP430成LPM3睡眠模式，把看门狗计时器设置成间隔计时器模式（使用ACLK/VLO作为时钟源)，以及禁用模拟前端。每隔一个间隔时间（大约1秒），ADC被触发进行单频道的一次转换。因为手指检测电路被启用，ADC对左传导垫信号取样，然后取样的信号和一组阈值比较以判断接触情况。如果左传导垫的电压超过1.7V，接触被视为良好，同时LaunchPad上的绿LED灯会闪烁。如果左传导垫的电压超过1.5
V，则为不良接触，同时LaunchPad上的红LED灯会闪烁。没有任何接触的默认值为0.825
V(3.3-V工作电压）
如果没有接触，MSP430回到LPM3睡眠模式直到下一个间隔时间。如果有手指接触（无论好或者坏），手指检测电路被禁用，模拟前端被启用，开门狗间隔计时器时钟来源变为MCLK/DCO，睡眠模式转换为LPM0模式。DCO校准后的频率为1MHz，间隔计时器的频率为60Hz。因此，ADC每隔16毫秒被触发来取样，放大和过滤模拟前端输出的心电图信号。转换后的数据储存在内存中，心率检测算法用其来计算每分钟的心跳数
[9]。
心率值通过基于UART的计时器A来进行传输[10]
。UART输出可以通过两种方式传输到电脑，一种是LaunchPad反向通道UART-over-
USB连接方式，另一种是子板上的eZ430射频目标连接器。在ADC取样心电图信号时候，手指检测电路每隔3秒钟被暂时启用来确认手指接触情况。如果存在接触，此应用回到心电图取样。如果没有接触，手指检测电路保持启用状态，系统每隔大约10秒钟检查接触情况。如果还没有检测到接触，模拟前端就被禁用，MSP 430回到初始的LPM3状态，每秒钟检测接触情况。
Appendix B给出了检测心率软件的详细设置方法。Appendix C给出了eZ430RF射频目标板的详细介绍。
Figure4
给出了整个正在工作中的硬件系统（左边）以及在电脑的HyperTerminal应用窗口中显示的UART输出记录（右边）。
6通过使用MSP430G2452微控制器的LaunchPad Value ZHCA428A–January2011–Revised March2011 Line开发包实现基于心电图的心率监测Submit Documentation Feedback
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