基于MSP430FR5969的可穿戴動態(tài)心電監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)（完整篇）

    MSP430FR5969具有豐富的片上資源，超低功耗工作模式，可靈活配置，易擴(kuò)展，功能強(qiáng)大，高可靠性等，是可穿戴式產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最佳方案。

本設(shè)計(jì)能比較好地完成了預(yù)期的設(shè)想，并初步實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)調(diào)試。經(jīng)測試結(jié)果證明，基本達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

1、系統(tǒng)框圖，如圖(A)：

圖(A).系統(tǒng)框圖

2、硬件系統(tǒng)，如圖(B)：

圖(B).硬件系統(tǒng)圖

2、TI LaunchPad MSP430FR5969 硬件說明，如圖(1)：

圖(1). TI LaunchPadMSP430FR5969

圖(2).可穿戴動態(tài)心電模塊

本設(shè)計(jì)使用了MSP430FR5969片上的資源有：

<1> 12 Bit ADC，輸入引腳是P4.3，主要完成人體心電信號的采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換過程。

<2> Clock System(CS)，系統(tǒng)的時鐘來源是MSP430FR5969內(nèi)部集成DCOCLK，方便使用，不再需要外部晶振即可工作。

<3> UART，串行通信接口主要是跟藍(lán)牙模塊連接，數(shù)據(jù)傳輸功能，MSP430具有波特率自適應(yīng)功能，使用還是很方便的。

<4> I2C，應(yīng)用在對加速度傳感器MPU6050和人體熱釋電紅外傳感器數(shù)據(jù)的讀取。

<5> FRAM Controller，全新技術(shù)鐵電存儲，相對于SRAM來說還是有很大的優(yōu)勢。

<6> REF_A，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，可提供給外圍電路使用，非常方便，AD8232心電傳感器正好需要一個基準(zhǔn)電壓，對硬件來說，減少了這部分的設(shè)計(jì)。

<7> TIMER_A，定時器是必不可少的，對于程序設(shè)計(jì)需要時間時，定時器也很重要。

<8> GPIO I/O，系統(tǒng)LED閃爍，熱釋電傳感器單總線數(shù)據(jù)讀取等等。

<9> PMM，電源管理模塊，在可穿戴設(shè)備上，電源功耗管理是很重要的。

3、可穿戴動態(tài)心電模塊硬件說明，如圖(2)：

<1> 加速度傳感器MPU6050，如果在運(yùn)動狀態(tài)下讓MCU也能采集到心電數(shù)據(jù)，這樣的傳感器是必備的，它能時刻監(jiān)測系統(tǒng)處于任何狀態(tài)。

<2> 心電傳感器AD8232，主要完成心電信號前端放大差分和濾波等功能，輸出的信號可以讓MSP430FR5969采集。

<3> MSP430FR5969為本設(shè)計(jì)的核心器件，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸，完成整個系統(tǒng)的控制和管理等。

<4> DEBUG接口，可穿戴動態(tài)心電模塊的調(diào)試接口，跟TI LaunchPad連接即可在線調(diào)試仿真和程序下載等。

<5> ECG LEAD接口，模塊在不需要穿戴情況下，可以通過心電導(dǎo)聯(lián)線連接到人體身上，方便多種方式采集心電信號。

<6> Bluetooth接口，藍(lán)牙通信接口，連接藍(lán)牙無線模塊，與PC上位機(jī)，手機(jī)實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙方案成熟，使用方便等。

<7> DC-BOOST，為TI TLV61220BVT電源管理IC，特別是在使用紐扣電池的設(shè)備中，在極低的輸入電壓情況下也可以把該電壓抬升到讓MCU工作的電壓。

<8> ECG RA，在人體心電信號采集電路中ECG RA理論上是連接人體右臂，ECG RLD，是心電模擬端的右腿驅(qū)動，ECG LA用于連接人體左臂。

<9> PIR - 人體熱釋電紅外傳感器，主要應(yīng)用在人體體溫?cái)?shù)據(jù)采集。

1、硬件的原理圖和PCB設(shè)計(jì)軟件使用的是Protel 99 SE，如圖(3)和圖(4)，在四層PCB板以內(nèi)的電路設(shè)計(jì)中，Protel 99 SE是一款比較簡單易用的PCB設(shè)計(jì)軟件，占用電腦資源比較少。PADS和Altium Designer Summer 09/13等也可以，但占用電腦資源較多…！

圖(3). 電路原理圖設(shè)計(jì)


圖(4).電路板PCB設(shè)計(jì)

2、數(shù)據(jù)信號處理和算法設(shè)計(jì)平臺：MATLAB，如圖(5)。外圍電路設(shè)計(jì)得相對簡單，但要想產(chǎn)品功能和性能得到更大提高，軟件設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，特別是一些算法的設(shè)計(jì)處理，跟產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功有這密切關(guān)系。本設(shè)計(jì)所用到的算法有：心電信號低通濾波，高通濾波，帶通濾波，帶阻濾波，平衡濾波，抗基線漂移濾波算法，抗肌電干擾濾波算法，心率技術(shù)處理算法等。借助MATLAB數(shù)學(xué)軟件來進(jìn)行數(shù)字信號處理和算法設(shè)計(jì)是一種高效的方法。

圖(5).MATLAB算法設(shè)計(jì)

3、MSP430FR5969軟件設(shè)計(jì)平臺：IAR Information Center for MSP430，版本是6.10.7。關(guān)于IAR，在MSP430開發(fā)中使用的人很多。

本系統(tǒng)的軟件工程如附件，找到項(xiàng)目工作空間并打開，對應(yīng)的工程文件結(jié)構(gòu)和程序的主函數(shù)分別如圖(6)，圖(7)所示：

圖(6). IAR工程文件結(jié)構(gòu)


圖(7).項(xiàng)目工程主函數(shù)

軟件設(shè)計(jì)流程如圖(C)：

圖(C).軟件設(shè)計(jì)流程

<1> main函數(shù)模塊，程序執(zhí)行開始，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得比較簡潔，盡量詳細(xì)的注釋，這樣程序的可讀性會比較強(qiáng)。

<2> “Com.h”是用于包含和管理頭文件，一般把通用的頭文件都包含到該頭文件里，在平常比較大的項(xiàng)目開發(fā)中，頭文件管理是很有必要的。

<3> ADC采樣模塊，主要是完成ADC模塊的配置和初始化

<4> I2C模塊是用于讀取加速度傳感器和熱釋電傳感器數(shù)據(jù)

<5> 時鐘系統(tǒng)模塊，用于配置MSP430內(nèi)部DCOCLK時鐘

<6> 定時器模塊，時間的基準(zhǔn)

<7> 串行通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，與藍(lán)牙模塊連接，程序如下：

<8> 心電處理模塊，完成心電傳感器的控制，MSP430內(nèi)部基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生和心電數(shù)據(jù)處理等功能，并根據(jù)協(xié)議打包發(fā)送到手機(jī)APP或是PC機(jī)。

<9> 濾波器模塊，心電數(shù)據(jù)濾波處理的模塊，包括心電信號低通濾波，高通濾波，帶通濾波，帶阻濾波，平衡濾波，抗基線漂移濾波算法等。

<10> 加速度模塊，主要是對MPU6050數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)處理，傳輸?shù)鹊取?/div>































附件如下：