基于ＭＰ４３０和ＵＢ的胎儿心电图仪的设计
时间：2020-09-15 07:54:59 来源：达达文档网 本文已影响 人 
摘 要：介绍一种基于MP430单片机和UB总线的胎儿心电图仪，并给出其硬件电路和软件设计方法。系统采用I公司超低功耗单片机MP430F149对母体腹部和胸部心电信号进行同步采集，并通过UB接口将数据发送到PC机，利用上位机软件完成处理、显示、存储等。系统性能可靠、使用方便、结构简单、成本低廉。
关键词：胎儿心电图仪；信号调理；MP430；UB
Design of Fetal Electrocardiogram Based on MP430 and UB
JIA Zhonghua1,QI Lin1,MU Xiaomin1,YANG houyi1,MA Pengge2
(1Information Engineering chool,Zhengzhou University,Zhengzhou,4002,China;
[JZ]2Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management,Zhengzhou,4002,China)
Abstract：he paper presents a fetal electrocardiogram system based on MP430 and UB interfacehe hardware and software of the system are also introducedIn the system,it synchronously samples MECG signal and FECG signal by using ultralow[CD2]power micro[CD2]controller MP430F149 of I,and then the sample results are uploaded to PC by UB interfacehe results will be stored,processed and showed by software on the PChis design of FECG is high in quality,low in cost and easy in use
Keywords：FECG;signal processing;MP430;UB
1 引 言
随着人们生活水平的提高和围产医学的发展，社会对优生优育、母婴健康和安全的要求日益提高，对胎儿发育的生理和病理的研究成为一项重要课题。胎儿心电图（Fetal Electro Cardiogram，FECG）是反映胎儿心脏电生理活动的一项客观指标，反映了胎儿在孕期中的生长和健康状况，其作用是临床听诊和胎儿监护仪所不能取代的一种胎心观察法，在临床上有着广泛的应用和深入研究的背景［1］。目前国内生产的胎儿心电图仪所记录信号为母亲和胎儿的混合心电信号，胎儿心电信号易被母亲心电信号掩盖，不能称为真正意义上的胎儿心电图。这里在开展微弱信号处理、独立分量分析等研究的基础上，采用I公司的MP430系列单片机MP430F149，结合通用串行总线（UB）技术设计此胎儿心电图仪。
2 胎儿心电图仪的硬件实现
胎儿心电图仪的系统组成如图1所示。
本系统是基于I公司的MP430F149和Philips公司的UB接口芯片PDIUBD12构建的PC[CD2]FECG系统。由心电电极采集的多路模拟信号经MP430F149的模/数转换模块ADC12采样量化后，通过UB接口芯片PDIUBD12发送到上位机，并由上位机完成FECG信号的处理、显示、存储等。
21 MP430单片机
设计采用德州仪器公司生产的16位ALA型单片机MP430F149芯片。MP430系列芯片具有超低功耗，灵活的时钟使用方式，处理能力强，灵活快速的编程方式及丰富的外设资源等特点；芯片上包含JAG接口，可以实现在线写入，因此JAG在线仿真调试省去了传统的昂贵的仿真器与编程器，节省了开发成本和开发时间。
MP430F149芯片内包括一个12位的A/D转换器ADC12，它带有采样/保持功能的ADC内核、可控制的转换存储和参考电平发生器、可控制和选择的时钟源、可控制的采样及转换时序电路［2］。ADC12与一般的ADC相比，具有高速、通用的特点，适合于精密的数据采集和转换，能够对8个外部模拟通道和4个内部电压通道进行A/D转换， 且最大采样速率为200 k/s。ADC12拥有16个保存转换结果的寄存器，可以由软件进行独立访问和配置通道以及参考电压。此外，ADC12提供4种转换模式：单通道单次转换、系列通道单次转换、单通道多次转换、多通道多次转换。
22 信号调理电路
整个信号调理电路由输入保护和缓冲电路，前置放大电路，高、低通滤波电路，隔离放大电路，陷波器，主放大电路，电平抬升电路等组成，如图2所示。
输入保护部分主要提供足够大的输入阻抗，并能防止宏电击和滤除30 kz以上的高频干扰信号，保证心电信号（02～100 z）完全通过，而缓冲放大可减小心电信号的衰减，起到阻抗变换的作用。
由于心电信号比较微弱、易受干扰，这里使用ADI公司的专用仪表放大器AD620作为前置放大部分的核心器件，AD620具有输入阻抗高，共模抑制比高等特点，可以满足心电放大的要求。前置放大输出的信号经高、低通，工频滤波，有效滤除了工频干扰、直流和低频[LL]分量，并采用BURR[CD2]BROWN的隔离放大器IO122进行信号隔离，有效抑制了模拟部分和数字部分的串扰。最后经主放大和电平抬升，送入ADC12进行模数转换。
23 UB接口设计
系统采用飞利浦公司的PDIUBD12芯片作为UB接口芯片。PDIUBD12符合通用串行总线UB 11规范，是一款高性能的并行UB接口芯片，它集成了IE，FIFO存储器、收发器和电压变换器，并由IE完成UB协议层，并完成高速硬件连接，无需软件干预［3］。
由MP430F149与PDIUBD12构成的UB接口电路如图3所示。PDIUBD12的8位并行数据接入F149的P口，传输数据或命令。PDIUBD12的A0接F149的P42引脚，作为PDIUBD12的数据或命令选择线。当A0为低电平时，F149向PDIUBD12发送数据，当A0为高电平时，向PDIUBD12发送命令。PDIUBD12的IN_N引脚接F149的P12引脚，供MCU查询是否接收到上位机的数据或命令，并结合D12_WR和D12_RD引脚实现F149与PDIUBD12的数据交换。需要注意MP430F149的P12是边沿触发中断，而PDIUBD12的IN_N是电平触发中断，所以需要计时器imer B产生一个00 kz的PWM方波信号，D12中断引脚信号与该信号相“或”以后输出到F149的P12。此外，PDIUBD12的GL_N接LED来对其控制，当UB设备接入PC机时，LED亮，而数据传输进行时，LED不断闪烁。[FL)]
3 胎儿心电图仪的软件设计
系统的软件设计分为3个部分：单片机控制程序、UB设备驱动程序和PC机应用程序。
31 单片机控制程序
单片机控制程序固化在单片机内，完成胎儿心电信号的数据采集和传输到计算机的功能。它包括A/D采样程序、UB标准设备命令程序、数据传输程序。
胎儿心电数据采集系统中，采样数据直接经过UB总线传送到计算机，其中数据传输程序工作于前台，A/D采样程序由中断驱动、工作在后台，A/D采样程序的流程如图4所示。系统上电后，首先进行初始化，包括系统的复位方式、时钟源及各I/O端口的配置。设计中采用外部时钟源，频率为8 Mz，A/D转换采用内部参考电压2 V。MP430F149的ADC12模块提供4种转换模式：单通道单次转换、系列通道单次转换、单通道多次转换、多通道多次转换。根据胎儿心电提取算法的需要，选择3路标准导联及一路腹部导联作为提取胎儿心电的导联系统，即同步采集四个通道，并采用序列通道单次转换模式。系统中，从MP430F149 2 kB RAM区为A/D采样程序分配1 kB作为保存采样数据的缓冲区，并分为2部分：采样缓冲区和传输缓冲区，它们分别被中断驱动的A/D采样程序和前台工作的数据传输程序使用。程序中定义2个指针amplePointer（P）和ransferPointer（P）来管理和访问这2部分数据缓冲区，从而通过2个缓冲区功能的切换保证了无丢点连续数据采集。
数据传输程序负责实时地把采样数据通过UB总线传输到计算机，它工作于前台。标准设备命令处理程序响应UB协议定义的标准设备命令，完成UB设备枚举过程，它由数据传输程序调用执行［4］。
32 UB设备驱动程序
UB设备驱动程序是一种典型的WDM (Windows Driver Mode)驱动程序，需要专门的开发工具，目前应用广泛的工具主要有2类：一类是Microsoft公司[LL]提供的Windows DDK，另一类是采用第三方软件公司提供的生成工具，如Compuware Numega公司的Driverstudio。由于DDK基于汇编语言的编程方式和内核模式的调用，对没有深厚O原理和编程水平的人员来说，任务相当艰巨，因此设计中采用Driverstudio 32开发工具。它是一个大的开发工具包，包含VtoolsD，oftICE和Driver Works等开发工具。这里选用DriverWorks开发工具，它以面向对象的思想完全封装DDK的所有库函数，通过DriverWorks提供的类，可以非常轻松的编写出一个WDM驱动程序，大大缩短了开发周期、降低了开发难度。
33 PC机应用程序
PC机客户端应用程序是系统与用户的接口，它通过设备驱动程序与胎儿心电数据采集器硬件连接，从硬件读取采样数据，从而完成对外设的控制和数据传输。主机应用程序是在VC++60环境下开发，主要完成对采集到的数据进行处理、显示和存储，控制整个数据采集过程的进行、停止，以及后续的数据分析处理工作。
4 结 语
基于MP430和UB的胎儿心电图仪的开发设计，构造简单，性能可靠，且便于后续开发的升级扩展，可以实现胎儿心电的实时监护。设计基于PC[CD2]UB设备、主从结构的系统开发，可以利用PC强大的运算处理能力，网络通信功能等，同时再构成庞大的信息系统。因此，它是一种极其有效的胎儿心电检测手段，有着广泛的应用前景。
参 考 文 献
［1］王美华胎儿心电图的检测与分析［J］桂林电子工业学院学报,1998(2):26[CD2]29
［2］exas InstrumentsMP430x14x Mixed ignai Microcontroller2001
［3］PhilipsPDIUBD12 Data heetPhilips Inc,2001
［4］2001 PhilipsFirmware Programming Guide for PDIU[CD4]BD122001
［］沈建华,杨艳琴,翟骁曙MP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计［M］北京:清华大学出版社,200
［6］周立功PDIUBD12 UB固件编程与驱动开发［M］北京：北京航空航天大学出版社，2003
［7］韩晓刚,吕彭民基于MP430和UB的数据采集系统［J］电子产品世界,200(8)：10[CD2]107
［8］席涛UB心电采集系统的研制及从心电图提取呼吸信号的方法探讨［D］西安：第四军医大学,200
