基于MSP430的心率测量仪设计 （毕业设计58页、24245字 +图+程序）

摘要：美国德州仪器公司推出的MSP430系列单片机具有低功耗、高性能及丰富的片上外围模块等优点，适合用于手持式仪器仪表中；其中MSP430FG43X单片机内部集成有可编程模拟运放等模块更适合用于便携式医疗器械中。文中给出了心率参数测量的理论基础，提出了心率测量仪设计的整体方案，对各子模块设计进行了详细的方案论证。硬件设计采用Protel 99 SE软件，完成了系统的电源电路、时钟电路，心电信号采集与预处理电路、LCD显示电路、与PC机通信接口电路等模块的电路原理图及PCB板图的设计与实现。软件设计完成了程序模块规划，心电信号处理、心率值计算及各接口模块的程序设计；给出了系统初始化，心电信号处理，心率值计算及LCD心率显示等模块程序设计的详细流程；在EW430 V3.20A开发平台下，通过与PC机相连的MSP430FETP140仿真器，将程序下载到MSP430FG439芯片的FLASH中，实现了心电信号的采集、处理、显示的编程与调试。通过系统软硬件联机调试，完成了心率测量仪的设计。给出了设计过程中遇到问题的分析与处理结果。

关键词：心率测量；MSP430FG439；INA321

 
Design of Heart Rate Meter Based on MSP430

Abstract: The Texas Instruments’ MSP430 series microcontroller are widely used in portable apparatus, which have the advantages of ultra-low power, high performance and rich peripheral modules, especially the MSP430FG439 has the programmable amplifier which is suitable for portable medical instrument. The principle and design scheme of measuring heart rate is described in the dissertation. Protel 99SE is used in hardware design, which completed schematic and printed circuit board (PCB) design including power supply circuit, clock circuit, electrocardiogram (ECG) signal gathering and pretreatment circuit, liquid crystal display (LCD) circuit，the communication circuit between MSP430 and Person Computer (PC). The detailed flow chart of modular programming, system initialization, ECG signal processing, heart rate’s calculating and displaying is given in software design. Under platform of IAR Embedded Workbench for MSP430 V3.20A (EW430 V3.20A), through the MSP430FETP140 emulator which connected to the PC, the programs can be downloaded to the target chip’s flash memory, realized the capture, disposal, display's programming and debugging of the ECG. signal.  The heart rate meter design is completed via software and hardware debugging. The final result and analysis of the problems met in the designing process is given in this dissertation.

Key words: Heart rate measurement, MSP430FG439, INA321
 
目    录
第1章  前  言 1
1.1  选题背景及意义 1
1.1.1  本课题在国内外的研究现状 1
1.1.2  本课题的研究目的 1
1.1.3  本课题的理论意义及实用价值 1
1.2  论文的主要内容 2
第2章  心率与心电参数测量的理论基础 3
2.1  心率及心率值测量 3
2.1.1  心率 3
2.1.2  心率值测量 3
2.2  心电信号产生的原理 3
2.2.1  心肌细胞的电活动 3
2.2.2  心脏传导系统及心电图 4
2.2.3  心电信号的特性 6
2.3  心电信号的测量 6
2.3.1  心电信号的提取方法 6
2.3.2  心电信号前置放大器设计的要求 7
第3章  心率测量仪设计的方案设计 11
3.1  心率测量仪器件的选择 11
3.1.1  微控制器的选择 11
3.1.2  显示模块器件选择 12
3.1.3  前置放大器的选择 12
3.2  心率测量仪的总体方案设计 13
第4章  心率测量仪系统的硬件设计 14
4.1  硬件设计工具平台简介 14
4.2  MSP430核心小系统的硬件设计 16
4.2.1  电源电路设计 16
4.2.2  复位电路设计 17
4.2.3  时钟电路设计 17
4.3  MSP430接口电路的硬件设计 18
4.3.1  LCD显示接口电路设计 18
4.3.2  JTAG接口电路设计 19
4.3.3  心电信号采集及预处理的电路设计 20
第5章  心率测量仪系统的软件设计 24
5.1  软件开发平台简介 24
5.2  心率测量仪系统程序设计 25
5.2.1  系统初始化程序设计 26
5.2.2  心电信号处理程序设计 28
5.2.3  心率值计算程序设计 28
5.2.4  显示部分程序设计 30
第6章  心率测量系统联机调试 31
6.1  系统硬件电路测试与分析 31
6.2  系统的软硬件联合调试与分析 31
6.2.1  系统与PC机的连接与关键参数设置 31
6.2.2  系统软硬件联机调试 32
结  论 36
致 谢 37
参考文献 37
附录1：心率测量仪设计原理图 40
附录2：心率测量设计PCB图 41
附录3：心率测量设计硬件实物照 42
附录4：心率测量仪元器件清单 43
附录5：心率测量仪主要程序 45
附录6：MSP430FG439引脚功能 49
 
第1章  前  言
1.1  选题背景及意义
1.1.1  本课题在国内外的研究现状
在先进科学技术的推动下，医疗仪器相关技术日新月异，全球医疗仪器的发展朝微小化迈进。便携式、低功耗的心率测量仪会越来越受到人们的青睐。长期以来，各种静态的、动态的、随身携带的、远程遥控的心率监测仪已相继问世。由于心率及心率变异是临床心血管疾病诊断所需要的重要生理参数，有关心率及心率监测仪的探究一直以来成为医学、电子学、工程技术领域科研工作者们的涉足焦点。在国外到06年底，已开始研究可配戴式心率监测仪、植入人体式心率监测仪。国内的心率测量仪产品由于受到相关科学技术水平及生产设备的限制，功能和集成度都不及国外。目前心率测量仪用于临床，根据心率变异监测分析疾病。但多功能、便携式的适合社区家庭用的心率测量仪还比较少。美国德州仪器公司生产的MSP430系列单片机，也凭着低成本、低功耗、面向控制、抗干扰能力强等优势在便携式医疗器械、手持仪器仪表等领域中有很好的应用和发展。便携式、低功耗主要是通过选用有丰富的内部资源和强大的信号处理能力的低功耗器件MSP430FG439处理器来实现的。这种心率测量仪能实现现场采集并显示，功耗低且体积重量较同类产品更小巧轻便。
1.1.2  本课题的研究目的
通过做该课题可以学习掌握心率测量的原理、方法、实现过程；掌握嵌入式系统的设计调试过程；学会相关EDA软件开发工具、专用集成开发平台的使用；能较全面融合电路、电子技术、信号采集与处理、生物医学电子学、程序设计等大学四年所学知识。这有助于我对生物医学专业知识的深入理解、巩固电子学基础，同时能理论联系实际提高自己的动手能力。
1.1.3  本课题的理论意义及实用价值
世界人口老龄化及富裕化的趋势，为医疗消费支出增长提供了可能，同时也为医疗器械行业的发展奠定了基础。现代医学对疾病的预防和治疗在很大程度上依赖于先进的医疗设备的诊断。现代的医学电子仪器已不仅仅是单纯的医学电子测量仪器硬件系统，而应该是基于电子技术、计算机技术、数字信号处理技术的生理量检测和分析系统，本课题把生理量的测量和生物信号处理技术融合为一体。目前国内的心率测量仪能同时完成心率测量和心电信号检测的便携式低功耗产品还不多，主要是由于国内相关科学技术水平及生产设备相对落后。随着国内医学与电子业的发展，研究设计出一种具有性能可靠，成本低廉，抗干扰能力强，体积小，重量轻，携带方便等特点的心率测量仪将有很好的发展前景。心率仪通常作为心电机的一部分，人们为了知道自己的运动或劳动强度是否超负荷，尤其是老年人或运动员等，他们都得赶到医院而不能实时测量和预知。为了实现人人能享受基本医疗保健的目标，把过去的以医院为轴心的医疗服务体系过渡到以家庭为基础的社区卫生服务体系已成为必然趋势。所以便携式医疗仪器已相继问世。本课题所研制的心率测量仪就属于一种集轻型化、一体化、可视化、可控化等优点并能同时它适合在家庭和社区条件下使用。
1.2  论文的主要内容
论文将介绍心率测量仪设计的方案选择与软硬件的设计与调试。全文共分为六章，本章介绍了心率测量仪的研究现状，本课题的选题目的与意义；第二章介绍了心率及心电参数测量的理论基础；第三章通过对心率测量仪设计的每个模块进行方案论证与器件选择，提出系统的总体设计方案；第四章介绍了各单元模块的硬件电路设计与实现；第五章介绍了心电信号处理及心率值计算的算法，给出了各子模块的程序流程图；第六章介绍了系统的调试过程和调试结果，最后总结了整个设计完成的主要工作以及有待改进的地方。