開(kāi)題報(bào)告--基于單片機(jī)的心電圖儀設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的心電圖儀設(shè)計(jì)</p><p><b>　　學(xué) 院： </b></p><p><b>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí)： </b></p><p>　　學(xué)生姓名： </p><

2、;p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2013年 3月 12日</p><p>　　基于單片機(jī)的心電圖儀設(shè)計(jì) </p><p>　　一、課題的背景與意義</p><p>　　1.1國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢(shì)</p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,威脅人類(lèi)健康生命的疾病從

3、傳染病逐漸過(guò)渡為慢性非傳染性疾病,心血管病就是目前全球性的主要非傳染性疾病之一。預(yù)計(jì)到2020年,因心臟病等心血管疾病而死亡的人數(shù)將突破2000萬(wàn),我國(guó)和其他發(fā)展中國(guó)家,也將會(huì)在那時(shí)迎來(lái)心臟病的流行頂峰。目前在我國(guó),由心血管疾病引起的死亡已經(jīng)占到了總死亡構(gòu)成比的40%左右[1],對(duì)人們的健康造成了極大的威脅。目前這一信號(hào)已引起人們的重視,然而與其他疾病相比,心血管疾病發(fā)作具有隨機(jī)性、突發(fā)性、危險(xiǎn)性等特點(diǎn),據(jù)北京急救中心統(tǒng)計(jì)多數(shù)患者因發(fā)病

4、于家中或工作場(chǎng)所而不能及時(shí)得到病癥診斷而延誤了搶救時(shí)機(jī),從而喪失了寶貴的生命。因而人們非常期待一種便攜的醫(yī)療儀器關(guān)愛(ài)自己的生命健康。</p><p>　　不論何種原因引起的心血管疾病,疾病發(fā)展到后期大多數(shù)都會(huì)引起心電傳導(dǎo)組織及心臟肌肉細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和生理特征發(fā)生變化,而這些變化都會(huì)使其電生理活動(dòng)規(guī)則發(fā)生變化,這些變化能夠傳導(dǎo)到人體皮膚表面,因此通過(guò)放置在人體皮膚表面適當(dāng)位置的電極就可以一記錄心臟活動(dòng)的電位變化,進(jìn)而形

5、成心電圖[2],為心血管疾病的臨床診斷提供重要依據(jù)。荷蘭Leiden大學(xué)的威廉·愛(ài)因托芬(w.Einthoven,1860～1927)教授就是依據(jù)這一原理研發(fā)出了第一臺(tái)心電記錄器[3]。目前的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備主要分為常規(guī)心電儀和動(dòng)態(tài)心電儀兩類(lèi)。其中常規(guī)心電儀主要用于醫(yī)院中,這類(lèi)設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)病人病理數(shù)據(jù),但其往往價(jià)格昂貴,體積笨重,不便于攜帶,很難在急救狀態(tài)下及時(shí)進(jìn)行心電監(jiān)護(hù)工作,不適合普通大眾使用。而動(dòng)態(tài)心電儀

6、雖價(jià)格相對(duì)合理,易于攜帶,也能實(shí)時(shí)一記錄病人的心電變化,可以捕捉病人潛在的心臟疾病心電信息[4],但由于其不具備實(shí)時(shí)分析和顯示等功能,在一些緊急特殊情況下不能對(duì)病人心電數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)診斷分析[5]。</p><p>　　近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的各個(gè)醫(yī)療儀器公司均在大力研發(fā)新式心電儀,使得心電儀市場(chǎng)出現(xiàn)了百花齊放,百家爭(zhēng)鳴的局面,各具特色的心電儀產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。目前市場(chǎng)上應(yīng)用較廣的便攜式心電儀主要可以分為以下幾類(lèi):</p&

7、gt;<p>　　1)心電記錄儀。這類(lèi)心電儀采用電池供電,易于攜帶,可實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù),但不能實(shí)時(shí)觀察分析所得數(shù)據(jù)。</p><p>　　2)手持式心電儀。此類(lèi)心電儀體積較小,電池供電,攜帶方便,可實(shí)時(shí)記錄觀察數(shù)據(jù),但目前手持式心電儀多數(shù)仍為非彩色液晶屏顯示,且尺寸較小,不能多通道顯示數(shù)據(jù)。</p><p>　　3)具有較多功能的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀。這類(lèi)產(chǎn)品多數(shù)采用外接電源供電,體積相

8、對(duì)較大,能夠較清晰的分析顯示數(shù)據(jù),且除具有心電監(jiān)測(cè)功能外還有其他一些人體生命參數(shù)監(jiān)測(cè)功能,操作復(fù)雜,適用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用[6]。</p><p>　　這些心電儀采用的技術(shù)均較為先進(jìn),能較好的實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的采集及處理,同時(shí)在小型化方面取得了很大進(jìn)步,且功能越來(lái)越強(qiáng)大,提高了其使用性能與對(duì)病情的準(zhǔn)確診斷,代表了現(xiàn)今心電儀的發(fā)展,但仍有一些不足如:</p><p>　　1)心電儀性能較好的大部分為

9、國(guó)外產(chǎn)品,其界面操作基本為英文,中國(guó)用戶使用非常不便。</p><p>　　2)心電儀產(chǎn)品多數(shù)仍體積較大,不易于隨身攜帶使用。</p><p>　　3)手持式類(lèi)心電儀顯示屏幕較小,不利于觀察操作。</p><p><b>　　4)產(chǎn)品價(jià)格偏高。</b></p><p>　　5)多數(shù)心電儀仍采用按鍵操作,對(duì)于專(zhuān)業(yè)性要求較高

10、的心電儀,用戶使用非常不便[7]。</p><p>　　不過(guò)隨著技術(shù)的進(jìn)步,及國(guó)內(nèi)研發(fā)能力的不斷提高,這些問(wèn)題將逐漸解決,心電儀市場(chǎng)也將迎來(lái)大眾化普及化。</p><p>　　1.2課題研究的目的及意義</p><p>　　本課題是為了設(shè)計(jì)出能夠便于攜帶，居家使用的心電圖儀，采用以MSP430</p><p>　　單片機(jī)為核心的控制方案，通過(guò)

11、ADS1298將心電信號(hào)進(jìn)行采集、放大濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，達(dá)到低功耗、便攜式等特點(diǎn)[8]。</p><p>　　在我國(guó)，心血管疾病逐年上升的趨勢(shì)隨著人民生活水平的提高、肥胖人群的增加而呈現(xiàn)加速，加上人民的保健意識(shí)也逐漸增強(qiáng)，因此有必要設(shè)計(jì)一種體積小,易于隨身攜帶,能夠長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè),實(shí)時(shí)一記錄、顯示心電數(shù)據(jù),便于觀察心電圖歷史波形,方便疾病快速診斷,價(jià)格低廉,滿足家庭需要,適合各種場(chǎng)合應(yīng)用的便攜式心電儀器[9]。<

12、/p><p>　　二、課題研究的主要任務(wù)和預(yù)期目標(biāo)</p><p>　　2.1主要任務(wù)和要求</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是以MSP430單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一款具有動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)一記錄、顯示心電數(shù)據(jù)的心電圖儀。主要對(duì)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)顯示。</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)達(dá)到的主要要求：</p><p>　

13、　1、學(xué)習(xí)并掌握心電圖儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)[10]的整體思路。</p><p>　　2、學(xué)習(xí)并掌握基于MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)。</p><p>　　3、學(xué)習(xí)上位機(jī)的顯示界面的制作[11]。</p><p>　　4、提交整個(gè)系統(tǒng)硬件原理設(shè)計(jì)，PCB板原理圖[12]以及實(shí)物演示。</p><p>　　2.2預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)</p>&

14、lt;p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)最終達(dá)到的目標(biāo)是設(shè)計(jì)的心電圖儀能夠在電腦上進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，并且能夠顯示心電波形圖，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。</p><p><b>　　三、方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 硬件部分設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1.1 單片機(jī)的選擇</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)是M

15、SP430F5529，德州儀器MSP430系列超低功耗微控制器包含多種器件，具有不同組的對(duì)象的各種應(yīng)用的外圍設(shè)備。 該體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合豐富的低功耗模式，優(yōu)化，以達(dá)到延長(zhǎng)電池壽命的便攜式測(cè)量應(yīng)用。該器件具有一個(gè)強(qiáng)大的16位RISC CPU，16位寄存器和有助于常數(shù)發(fā)生器最高的代碼效率[13]。 數(shù)字控制振蕩器（DCO）允許喚醒從低功耗模式，以主動(dòng)模式3.5μs（典型值）[14]。由于本次設(shè)計(jì)需要考慮到低功耗的問(wèn)題，因此采用MSP430F55

16、29單片機(jī)。</p><p>　　3.1.2 心電信號(hào)采集處理模塊</p><p>　　該模塊的主要功能是對(duì)心電信號(hào)的采集與處理，基于人體心電信號(hào)的特點(diǎn)，需要前端模擬采集電路有足夠大的輸入阻抗、足夠高的共模抑制能力、較寬的電壓動(dòng)態(tài)范圍。因此采用CMRR>100dB、輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍達(dá)±400mV、內(nèi)置EMI濾波器的ADS1298，既能達(dá)到前端模擬電路的設(shè)計(jì)要求，又可以簡(jiǎn)化電

17、路減小儀器體積降低儀器功耗[15]。ADS1298可分為EMI濾波器、控制開(kāi)關(guān)、儀表運(yùn)放、Σ△24位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等部分[16]。</p><p>　　3.1.3 顯示模塊</p><p>　　本課題采用上位機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)心電圖顯示，對(duì)采集的心電信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、顯示[17]。LabVIEW2010開(kāi)發(fā)平臺(tái)下編制的程序稱(chēng)為虛擬儀器程序，簡(jiǎn)稱(chēng)為VI。VI包括三個(gè)部分：前面板程序、框圖程序。前面板程序

18、的功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集的控制、處理和直觀表達(dá);框圖程序程序乃系統(tǒng)程序的圖形化源代碼，主要包括函數(shù)、結(jié)構(gòu)和代表前面板上各控制對(duì)象和顯示對(duì)象的端子以及連線等，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集處理和分析等操作[18]。利用LabVIEW2010設(shè)計(jì)的心電采集系統(tǒng)的前面板。虛擬儀器的前面板是儀器與用戶交互的可視化操作界面，用戶通過(guò)操作前面板的各種開(kāi)關(guān)和按鈕，可以實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、心率計(jì)算與顯示、波形存儲(chǔ)等各項(xiàng)功能[19]。</p><

19、;p>　　圖一：系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p><b>　　3.2 軟件部分</b></p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)的心電圖儀的軟件部分準(zhǔn)備應(yīng)用 C語(yǔ)言進(jìn)行編程[20.21]。</p><p>　　圖二：心電圖儀流程圖</p><p><b>　　四、預(yù)期成果形式</b></p>

20、<p>　　本系統(tǒng)是以MSP430F5529單片機(jī)與ADS1298為核心，結(jié)合ADS1298的外圍電路實(shí)現(xiàn)心電圖儀的設(shè)計(jì)。最后本設(shè)計(jì)預(yù)期的成果是設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)的硬件電路圖，制作PCB版圖，上位機(jī)顯示心電圖，最后進(jìn)行最實(shí)物演示。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)工作計(jì)劃及進(jìn)度安排</p><p>　　1、第一周：了解本課題內(nèi)容，查閱相關(guān)中外資料</p><p>

21、;　　2、第二周：查閱資料，進(jìn)行英文文獻(xiàn)翻譯</p><p>　　3、第三周：編寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告</p><p>　　4、第四周：對(duì)開(kāi)題報(bào)告中提出的方案進(jìn)行可行性論證</p><p>　　5、第五周：對(duì)ADS1298的前端電路設(shè)計(jì)</p><p>　　6、第六周：總體電路圖概況性設(shè)計(jì)</p><p>　　7、第七周：

22、繪制總體電路圖與PCB版圖</p><p>　　8、第八周：制作PCB版，進(jìn)行電子元件的選擇</p><p>　　9、第九周：進(jìn)行對(duì)SPI口的傳送部分編程</p><p>　　10、第十周：對(duì)ADS1298傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行編程</p><p>　　11、第十一周：進(jìn)行PCB版的焊接，導(dǎo)聯(lián)部分的制作</p><p>　　1

23、2、第十二周：上位機(jī)顯示的制作</p><p>　　13、第十三周：對(duì)整體程序進(jìn)行調(diào)試編譯</p><p>　　14、第十四周：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行演示與檢查</p><p>　　15、第十五周：撰寫(xiě)最終畢業(yè)論文框架結(jié)構(gòu)</p><p>　　16、第十六周：撰寫(xiě)最終詳細(xì)論文</p><p>　　17、第十七周：準(zhǔn)備答辯<

24、;/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 王薇,趙冬.我國(guó)心血管病及其主要危險(xiǎn)因素的流行病學(xué)研究.首都醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2005 26(2):143一146.</p><p>　　[2] 吳建剛,孫喜文,孫志輝,張寶性.現(xiàn)代醫(yī)用電子儀器原理與維修「M],北京:電子工業(yè)出版社,2005.</p><p

25、>　　[3] 劉泉開(kāi).心電圖機(jī)理與諾貝爾獎(jiǎng).家庭醫(yī)生報(bào).2009年2月16日,第002版.</p><p>　　[4] 張開(kāi)滋等.心電信息學(xué)(第一版)IM].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1998.</p><p>　　[5]Suranai Poungponsri,Xiao-Hua Yu. An adaptive filtering approach for electrocardiog

26、ram (ECG) signal noise reduction using neural networks[J]. Neurocomputing,2013,117:.</p><p>　　[6] 易測(cè)位,冒瑋.動(dòng)態(tài)心電圖國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)向.醫(yī)學(xué)信息,2005.12[3]:27一30.</p><p>　　[7]李小明. 心電圖及心電圖儀[J]. 學(xué)科教育,1996,11:39.</p&

27、gt;<p>　　[8]Elif Derya Übeyli. Statistics over features of ECG signals[J]. Expert Systems With Applications,2008,365:.</p><p>　　[9]R.J.A. Schijvenaars,J.A. Kors,G. van Herpen,J.H. van Bemmel. Use

28、 of the standard 12-lead ECG to simulate electrode displacements[J]. Journal of Electrocardiology,1996,29:.</p><p>　　[10]R. G. Gold. Evaluation of portable electrocardiographs[J]. Journal of Medical Engineer

29、ing &amp; Technology,1977,16:.</p><p>　　[11]曹怡. 基于虛擬式心電圖儀的心電圖數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)[D].重慶大學(xué),2003.</p><p>　　[12] 姚四改．Protel 99 SE電子線路設(shè)計(jì)教程．上海交通大學(xué)出版社，2008</p><p>　　[13]郭險(xiǎn)峰,劉成財(cái). 基于MSP430F5529的電信號(hào)

30、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電焊機(jī),2012,09:47-49.</p><p>　　[14]Muhammad E.S. Elrabaa. A portable high-frequency digitally controlled oscillator (DCO)[J]. Integration, the VLSI Journal,2013,:.</p><p>　　[15]魏厚杰,官金安

31、,方浩. ADS1298模擬前端的便攜式生理信號(hào)采集系統(tǒng)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2012,02:36-39.</p><p>　　[16]王碩,汪豐,周平. 便攜式無(wú)線十二導(dǎo)心電圖儀的設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2011,02:35-38.</p><p>　　[17]王桂忠. 基于LabVIEW的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[D].中國(guó)海洋大學(xué),2009.</p>&l

32、t;p>　　[18]劉君華，賈惠芹，丁暉等．虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言Labview教程[M] ．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001.10-43.</p><p>　　[19]王桂忠. 基于LabVIEW的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[D].中國(guó)海洋大學(xué),2009.</p><p>　　[20] 譚浩強(qiáng). C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（第三版）. 清華大學(xué)出版社. 2005.</p>&l