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心电信号是一种由心肌收缩而产生，并可提供心脏生理功能变化信息的生物电信号，将测量电极放在身体的不同部位，把不同体表的电位差变化记录下来，就得到了心电图(Electro Cardio Gram，ECG)。由于易于检测且直观性较好，在临床医学中得到较为广泛的应用)。然而传统心电信号采集设备体积较大，不便于实时获取心电信号。因此研究便携式、低功耗的心电信号采集系统有重要意义。本文以低功耗模拟前端ADS1293为基础，结合MSP430系列低功耗单片机设计了一种可用于超低功耗和微型化的心电信号采集系统。 1 系统硬件设计 心电信号采集系统主要由信号采集前端ADS1293和MSP430单片机控制电路组成。工作原理如下：电极提取的人体心电信号，首先送入ADS 1293做适当的放大后进行模/数转换，变成数字信号。然后通过SPI接口送入MSP430单片机进行分析和处理，最后通过单片机的USB接口送到便携式显示设备实时显示波形。 图1 系统总体设计框图 1.1 信号采集前端ADS1293 ADS1293是美国德州仪器公司(TI)用于生物电势测量的3通道、24位集成模拟前端，它能够针对特定的采样率和带宽对每个通道进行设定，使用户能够针对性能和功耗来优化配置。其还具有交直流断线检测(Lead_off Detect)、电池电量监控和自我诊断报警等功能，内置有ECG应用所需的右腿驱动电路租Wilson/Goldberger终端。ADS1293内部结构与外部引脚的连接方式如图2所示，从信号的流向可划分为信号输入接口、信号处理单元和信号输出接口等部分。 图2 ADS1293原理图 (1)信号输入接口。信号输入引脚从IN1～IN6共有6个，全部输入引脚都包含一个电磁干扰(EMI)过滤器以滤除射频噪声。系统采用5导联连接方式，即右臂(RA)、左臂(LA)和左腿(LL)分别连接到IN1、IN2和IN3引脚;共模探测器(CM detect)取得RA、LA和LL的平均电压用作右腿驱动(RLD)放大器的输入，右腿驱动放大器的输出再返回到右腿(RL)端，一起从IN4引脚输入。右腿驱动电路的作用是控制病人的共模水平，提升系统的交流抑制比;威尔逊网络(WCT)的输出连接到IN6引脚，与连接到IN5引脚的V1(胸电极)一起作为CH3通道的差分信号输入。 (2)信号处理单元。主要由仪用放大器(INA)、∑△调节器(SDM)和低通数字滤波器(Digital Filter)3部分组成，主要作用是将差分模拟电压信号转换成数字信号。仪用放大器是一个具有高输入阻抗的运算放大电路，主要有两个作用：1)对差分信号起一定的放大作用。2)提供高输入阻抗，以便从ECG电极获取更大的输入信号。仪用放大器的输出信号送入∑△调制器进行模/数转换，∑△调制器是基于过采样的一位编码技术，输出反映了输入信号幅度的一位编码数据流。低通数字滤波器由3个可编程的5阶sin型滤波器组成，∑△调制器的输出由低通数字滤波器处理后，即可得到N位编码输出。 (3)信号输出接口。主要包括4线SPI串行接口、DRDYB引脚和ALRAM引脚。各引脚的功能如下：SCLK为串行时钟输入引脚;SDI为串行数据输入引脚，共16位，其中，1位读写控制，7位地址和8位数据。在时钟上升沿期间，所有数据被采样和在第16个时钟上升沿时被写入寄存器中。SDO为串行数据输出引脚，在8～15个时钟下降沿，SDO引脚读数据。CSB为片选引脚，低电平有效，在低电平期间SPI接口开始读写数据，低电平维持16个时钟周期;DRDYB为模数转换结束引脚，表示芯片内部的数据已准备好可以读取，低电平有效，通常可用作CPU的中断信号或状态查询信号;ALARMB为报警引脚，ADS1293有一个自我诊断报警系统，用于诊断在ECG应用中可能发生的异常情况，这些异常情况主要包括电极脱落、同步错误、低电警告和3个通道工作异常等，一旦有异常情况发生就报告给错误标志，并在ARLAM引脚上显示。 1.2 MSP430单片机控制电路 选用TI公司的超低功耗单片机MSP430F5529作为主控制器，其具有丰富的片内外设，各个模块运行完全独立，包括定时器、输入/输出端口、看门狗和UART等均可在主CPU休眠的状态下独立运行。在所有模块都处于活动状态时，电流的典型值为290μA/MHz。在待机模式下，电流的典型值仅为0.18μA，从待机到唤醒的响应时间为3.5μs。MSP430F5529含有2个通用串行通信接口(USCI)模块，支持多种通信模式，如UART、IrDA、I2C、SPI和USB。在系统中，MSP430F5529利用SPI接口对ADS1293进行控制和数据的传输，其中，MSP430F5529工作于主模式下，ADS1293工作于从模式下。通过USB接口将数据传输到便携式显示设备或计算机，图3给出了MSP430F5529的接口电路。 图3 MSP430单片机接口电路 2 系统软件设计 系统软件主要包括：(1)对ADS1293进行控制，完成心电信号的模/数转换，并通过SPI接口读取数据。(2)通过USB接口将数据传输到显示设备实时显示，程序流程如图4所示。 图4 程序流程图 首先，对单片机进行初始化，配置与ADS1293通信的SPI接口和与显示设备相连的USB接口。再通过设置相关的寄存器来实现对ADS1293的初始化，包括仪用放大器和∑△调节器的工作频率设定、可编程滤波器的参数设置以及各报警寄存器的设置等。然后启动ADS1293，通过查询DRDYB引脚的状态来判断ADS1293模/数转换是否完成和数据是否准备好，若未准备好，继续查询。否则，产生一个中断给单片机MSP430F5529再通过SPI接口读取ADS1293寄存器中的数据，通过USB接口发送给显示设备。 3 结束语 本文提出了一种低功耗、便携式心电信号采集系统的设计方法。系统采用低功耗模拟前端芯片ADS1293来替代传统的分立式前端电路，利用ADS1293内部集成的右腿驱动电路、威尔逊终端、电极脱落检测等ECG应用所需要的模块简化了前端电路，与分立式方案相比，可将组件数量降低90%以上。ADS1293单个通道功耗仅为0.3 mW，且具有灵活的断电和待机模式，可延长便携式设备的电池使用寿命。综上所述，系统具有功耗低、体积小等优点，具有广泛的应用前景。

一、前言 在智能终端高速发展的今天，如何延长电池的使用寿命就成为了电子设计人员的重要课题。目前市面上的MCU等处理器处于休眠模式时，功耗可以达到1uA以内。由于设备大部分时间处于休眠状态，因此线性稳压器LDO的静态工作电流就决定了电池的使用寿命。 上海英联电子推出了UM153XX、UM154XX系列超低静态工作电流的LDO，其典型值仅有1.2uA（Vin=5V）。适用于穿戴式产品、便携式产品以及需要备份电池供电的设备，可以有效延长电池使用寿命。 二、UM153XX、UM154XX的重要参数 英联的UM153XX、154XX系列是超低静态工作电流的电压稳压器(其原理框图见图1),可使用1μF以上的陶瓷电容器作为输出电容。输入电压范围：2.2V～5.5V，输出电压范围为1.3V～5V。 图1：超低静态工作电流LDO的原理框图 UM153XX系列提供两种封装供客户选择，SOT23-3、SOT89-3，与市面同类型芯片兼容。UM154XX系列带有使能管脚，封装为SOT23-5。，其主要参数如表1所示： 表1：特性参数表 1、静态电流Iq 静态电流为输出电流与输如电流的差，LDO的效率与输入、输出电压和静态工作电流有关。效率可由以下公式算出： 效率=(Vo×Io)/((Io+Iq)×Vin)×100% 由公式可看出，当LDO处于轻负载情况下，静态电流就显得尤为重要，Iq值越小，效率越高。图2为UM153XX系列LDO的Iq值在不同输入电压情况下与同类低功耗LDO的对比，由图2可看出，UM153XX在低压供电情况下，有明显的优势。 图2：静态工作电流随输入电压变化图 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 2、动态负载调整（△VOUT） 当输入电压一定时，输出电压随负载电流的变化而产生的变化量。只要负载电流变化缓慢，大多数LDO都能轻松地保持输出电压接近恒定不变。然而，当负载电流快速改变时，输出电压也将随之改变。当负载电流发生变化时，输出电压的改变量决定负载瞬态性能。当负载电流由1mA瞬时变为100mA时，UM153XX系列LDO的输出电压变化量仅为10mV。 图3：负载瞬态响应 3、压差（△VDO） 压差可表示为Vdrop，是指保持电压稳定所需的输入电压与输出电压之间的最小差值。当输入电压下降到一定程度时，输出电压将不能维持在一恒定值。其具体算法如下： 输入电压为VIN = VOUT(s)＋1.0 V时的输出电压值为VOUT3，缓慢降低输入电压（VIN），当输出电压降至为VOUT3的98%时，此时的输入电压（VIN1）与输出电压的差即为输入输出电压差：Vdrop = VIN1－（VOUT3×0.98） 压差应尽可能小，以使功耗最小，效率最高。负载电流和结点温度会影响这个压差。最大压差值应在整个工作温度范围和负载电流条件下加以规定。在非调整区域，Vdrop的值呈线性变化，图4为UM15333的压差随输出电流变化的曲线图。 图4：Vdrop曲线图 4、过载电流保护 UM153XX系列LDO为了保护输出晶体管免受过大的输出电流，以及VOUT管脚—GND管脚之间短路的影响，内置了过载电流保护电路。最大限流300mA，负载电流小于限流时，输出电压即可恢复为正常值。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 三、应用注意事项 1、电容的选择 输出电容及其等效串联电阻ESR，将影响环路稳定性和对负载电流瞬态变化的响应性能。为了确保输出的稳定性，如果使用1μF输出电容，请尽量选用ESR值为0.3Ω或以下的，推荐X7R或X5R陶瓷电容。另外，LDO要求使用输入和输出电容来滤除噪声和控制负载瞬态变化，输入电容器因应用电路的不同所需要的容值也不同。电容值越大，LDO的瞬态响应性能越好，缺点是会延长启动时间。在电源的阻抗偏高的情况下，当IC的输入端未接电容或所接电容值很小时，会发生振荡，请加以注意。 2、封装的选择 SOT23-3的最大额定功率为0.4W，SOT89-3的最大额定功率为1W，SOT23-5的最大额定功率为0.6W。请注意输入、输出电压以及负载电流的使用条件，避免IC内的功耗超过封装的容许功耗。 3、PCB布线 重点要考虑噪声、纹波和散热问题，尽可能将输出电容（CL）接在VOUT-VSS管脚的附近，将输入电容（CIN）接在VIN-VSS管脚的附近，LDO和电容要使用同一铜层铺地，尽量增加地面积。 图5：PCB布线设计 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

便携式心电监测仪是目前看得到的能让你在欧美赚得盆满钵满的黄金产品之一，因为这一产品将在欧美市场掀起一场心脏病治疗方式的革命，届时每一个心脏病人都渴望拥有一台便携式心电监测仪。 这一市场有多大呢？这么说吧。目前心血管疾病是全球第一大致死原因，2005年全球约有1750万人死于心血管疾病，预计到2015年这一数字将攀升到2000万人，而这些心脏病人大多数是欧美人士。根据美国心脏病学会的报告,心血管疾病目前仍是美国最主要的死亡原因，大约每34秒钟就有1人死于心脏病。这是一个非常触目惊心的数字，但也意味着这一市场非常的大。 那么什么样的便携式心电监测仪能够受到这一市场的欢迎呢？这就需要首先来分析这一市场的特点。由于心脏病人在发病时基本上打电话和行走都有困难，而且常常老眼昏花，因此便携式心电监测仪必须具有自动无线发送、无线接收和自动语音报告的功能，至于该设备采用的是2G GSM/GPRS还是3G WCDMA/CDMA2000无线连接技术，那倒不是太重要，因为发送心电图数据不需要太大的带宽，接收来自个人保健医生的指令也不需要太多文本数据。 不过，要保证便携式心电监测仪在欧美市场畅销，还有三点是非常关键的：第一，测量的原始数据必须是非常正确和精确的，而且可靠性要非常好；第二，可充电电池的连续工作时间至少是10小时，即可连续工作一整天；第三，产品外形必须既美观时尚，又方便易用。 那么，如果向欧美市场消费者保证所测量的数据是正确的和精确的呢？很简单，只要你使用经过美国FDA（美国食品和药品管理局）和欧洲CE认证的算法就可以了。目前全球获得FDA和CE认证的ECG算法并不多，国内读者比较熟悉的有美国阿拉巴马州伯明翰Kenitic公司的ECG算法，因为飞思卡尔公司前不久公开推出了采用Kenitic ECG算法的单片ECG解决方案。 那么，为什么电池的连续工作时间要保证10小时呢？这主要是为了让患有心脏病的人士也能正常地上班或外出活动，就目前的锂电池容量来看，这对系统的功耗设计是一个挑战，设计人员必须对系统架构和每一个用到的器件都要提出严格的功耗预算要求。 最后一个关键点是外观是否时尚易用。这点虽然跟电子设计无太大关系，但却也是产品能否在市场上大获成功的关键制胜点。最近洛可可设计（深圳）有限公司总经理李毅超在便携式医疗电子大会上说，北京超思电子的心电监测仪之所以能够在欧洲市场上打败日本欧姆龙的竞争产品，就是因为欧姆龙设计的产品在易用性上考虑不足而导致被人怀疑产品质量不可靠，而超思电子的产品在我们的帮助下仅仅改进了可增强产品易用性的外形设计，便使得欧洲市场的订单像雪花一样不断地飘进来。 LKK洛可可是一家专门为客户提供产品定义、创意工业设计和市场营销策略一体化服务的新兴公司，该公司的目标是成为像青蛙设计一样成功的公司。可能很多人不太了解青蛙设计公司，但如果告诉你苹果公司所有产品的工业设计和市场营销策略皆出自该公司之手，相信你应该可以对他肃然起敬了。LKK目前在中国市场上也是名声渐响。李毅超表示，中国汉王科技的电子书产品工业设计和市场营销策略都是我们帮他做的，我们提供的价值至少是他们回报我们的一千倍。