MSP430을 활용한 신호 획득 및 처리

MSP430 마이크로컨트롤러는 초저전력 소모량을 유지하는 마이크로컨트롤러로서 컨수머 제품, 개인 건강 및 피트니스, 체온계 등의 지능형 센서, 터치패드, 안전 및 보안 등 그 응용 분야가 다양하다. 특히, u-헬스케어 시대 도래로 인하여 환자의 모니터링과 치료를 위한 휴대용 전자 의료용 디바이스의 도입이 증가함에 따라, 제조업체들은 완성품의 설계와 관련된 복잡도를 줄일 수 있는 기술을 모색하고 있다. 이러한 복잡도를 줄이기 위해 TI사는 고성능 주변 부품과 결합된 저전력 마이크로컨트롤러(MSP430)를 이용하여 다양한 응용 솔루션을 제공하고 있다. 이 책에서는 MSP430에 대해 전반적인 이해를 할 수 있도록 상세 기술하였으며, 생체신호의 가장 대표적인 신호인 심전도를 획득, 처리함으로써 다른 다양한 분야에 응용할 수 있는 능력을 다질 수 있도록 노력하였다.



이 책을 통하여 독자들은



1. 아날로그 증폭회로 및 필터의 설계 및 구현

2. 마이크로컨트롤러 프로그래밍

3. PC 인터페이스와 PC 프로그래밍

4. 간단한 아날로그 및 디지털 신호처리

5. 환자를 전기적인 위험으로부터 보호하기 위한 전기적 안정장치



등에 관한 사항들을 배우고 예제를 통하여 실험, 실습을 함으로써 각 단계별로 스스로 터득할 수 있을 것이다. 이 책에서 다루지 못한 BMDAQ 보드의 다양한 응용 자료를 www.ecga2z.com을 통해 찾아볼 수 있다.



머리말



본서를 쓰게 된 동기는 현재 한양대학교 공과대학 생체공학과 3학년 2학기에 개설되어 있는 "생체시스템 설계 프로젝트"라는 과목의 교과서로 쓰기 위함이다. "생체시스템 설계 프로젝트"과목에서는 1 채널 심전도의 하드웨어를 제작하고 이에 필요한 소프트웨어를 작성하고 PC와의 인터페이스를 통하여 디스플레이 및 신호처리 과정으로 구성되어 있다. 그러나 책을 써 나가는 과정에서 한양대학 생체공학과 학생뿐만 아니라 전기/전자공학 관련 학문을 전공하는 학생 및 IT 관련 종사자들에게도 도움이 될 수 있도록 다양한 기능들을 추가하여 범위를 확장하여 집필하게 되었다.



본서에서 사용하는 시스템(BMDAQ)에서는 TI사의 MSP430이라는 마이크로컨트롤러 칩을 사용하는데 이 칩은 범용으로 여러 분야에서 많이 쓰이고 있지만 MSP430에 관한 소개서나 교재가 별로 없다는 것을 알게 되었다. MSP430TM 마이크로컨트롤러는 8비트 가격으로 16비트의 성능을 발휘하며 초저전력 소모량을 유지하는 마이크로컨트롤러로서 컨수 제품, 개인 건강 및 피트니스, 체온계 등의 지능형 센서, 터치패드, 안전 및 보안 등 그 응용 분야가 다양하다. 특히, u-헬스케어 시대 도래로 인하여 환자의 모니터링과 치료를 위한 휴대용 전자 의료용 디바이스의 도입이 증가함에 따라, 제조업체들은 완성품의 설계와 관련된 복잡도를 줄일 수 있는 기술을 모색하고 있다. 이러한 복잡도를 줄이기 위해 TI사는 고성능 주변 부품과 결합된 저전력 마이크로컨트롤러(MSP430)를 이용하여 다양한 응용 솔루션을 제공하고 있다. 따라서, 본서에서는 MSP430에 대해 전반적인 이해를 할 수 있도록 상세 기술하였으며, 생체신호의 가장 대표적인 신호인 심전도를 획득, 처리함으로써 다른 다양한 분야에 응용할 수 있는 능력을 다질 수 있도록 노력하였다.



이 책의 목표는 독자들로 하여금;



1. 아날로그 증폭회로 및 필터의 설계 및 구현

2. 마이크로컨트롤러 프로그래밍

3. PC 인터페이스와 PC 프로그래밍

4. 간단한 아날로그 및 디지털 신호처리

5. 환자를 전기적인 위험으로부터 보호하기 위한 전기적 안정장치



등에 관한 사항들을 배우고 예제를 통하여 실험, 실습을 함으로써 각 단계별로 스스로 터득하게 하는 것으로 구성되어 있다.



따라서 독자들은 다음과 같은 사전지식을 요한다.



1. 일반적인 심전도의 이해

A. 심장 박동의 메커니즘과 이때 발생되는 전기적 신호의 이해

B. 오른발 구동회로(DRL, Driven Right Leg Circuit)

2. 기초 회로이론

A. RC 필터(수동 및 능동)

B. 증폭기(주로 연산증폭기)

C. 시스템의 주파수 응답

3. 디지털 공학

A. 아날로그-디지털 변환

B. 기초 마이크로컨트롤러 프로그래밍

i. TI MSP430 마이크로컨트롤러

ii. 타이머, 인터럽트, 각종 통신에 대한 기본 개념

4. 소프트웨어 프로그래밍

A. MFC 프로그래밍

B. 통신 프로그래밍

5. 기초 신호처리 이론

A. 아날로그 필터

B. 디지털 필터



본서에서는 상기 내용의 사전지식에 대해 요약적으로는 기술하여 독자들로 하여금 쉽게 이해하도록 노력하였으나 폭 넓은 이해를 위해서는 추가적인 관련 전공서적을 통하여 습득하길 바란다.

본서는 기초편, MSP430을 활용한 신호 측정 및 응용편, 신호처리 응용 및 BMDAQ 활용편으로 구성되어 있으며, 단순히 하나의 마이크로컨트롤러를 학습하는 것이 아닌 아날로그 설계, 디지털 설계 및 신호처리를 일목요연하게 학습할 수 있도록 노력하였다. 가장 대표적인 생체신호 중 하나인 심전도 신호를 아날로그-디지털 변환하여 이를 PC로 전송 및 디스플레이 하여 실제 계측한 데이터를 PC 화면에서 볼 수 있도록 하였으며 필터링을 포함한 각종 신호처리 방법을 이용하여 신호로부터 유효한 정보를 뽑아 낼 수 있도록 하였다. 이 책을 충실하게 학습한다면 심전도 신호를 포함한 생체신호뿐만 아니라 각종 신호수집 및 처리, 펌웨어 프로그래밍 그리고 PC 통신에 있어 자신감을 가질 수 있을 것이라 확신한다.



또한 본서에서 다루지 못한 BMDAQ 보드의 다양한 응용에 대한 자료를 www.ecga2z.com

을 통해 제공하므로 참고하길 바란다.

제1편 기초편 1



제1장 개 요 3

1.1 전체 시스템 구성 4

1.2 BMDAQ 개요 및 특징 7

1.3 이 책의 구성 11



제2장 BMDAQ 아날로그 보드 분석 13

2.1 개 요 14

2.2 보호(Protector) 및 필터 회로 15

2.3 버퍼 18

2.4 차동 증폭기 20

2.5 고역통과필터 21

2.6 비반전 증폭기 22

2.7 능동 저역통과필터 24

2.8 오른발 구동회로 24

2.9 아날로그 멀티플렉서 26



제3장 BMDAQ 디지털 보드 분석 29

3.1 개 요 30

3.2 전원관리 32

3.3 시리얼 통신 37

3.4 아날로그 변환 39

3.5 프로세서 45



제2편 MSP430을 활용한 신호 측정 및 응용편 51



제4장 MSP430의 소개 및 개발환경 53

4.1 MSP430 개요 54

4.1.1 제품군별 특징 54

4.1.2 제품명으로 기능 파악하기 55

4.1.3 MSP430F1610/1611의 주요 특징 56

4.1.4 MAP430F1610/1611의 각 핀들의 기능 57

4.1.5 메모리 맵 61

4.2 개발환경 62

4.2.1 Embedded workbench를 이용한 프로그램 작성 및 저장 63

4.2.2 부트스트랩 로더 기능을 이용한 시리얼 다운로드 67

4.2.3 JTAG을 이용한 다운로드 77



제5장 입출력 제어 83

5.1 범용 입출력 84

5.2 BMDAQ의 GPIO 활용 86

5.3 BMDAQ의 GPIO 활용 예제 88



제6장 타이머 및 인터럽트 95

6.1 개요 96

6.2 기본 클록 소스 및 모듈 96

6.3 타이머 102

6.4 인터럽트 115



제7장 SCI 통신 131

7.1 개요 132

7.2 SCI 통신 134

7.3 SCI 통신 관련 레지스터 137

7.4 실습 예제 143



제8장 A/D, D/A 변환 149

8.1 ADC/DAC 개요 150

8.2 ADC12를 이용한 ADC 153

8.3 ADC12를 이용한 실습 예제 166

8.4 DAC12를 이용한 DAC 175

8.5 DAC12를 이용한 실습 예제 183



제9장 SPI 통신 195

9.1 SPI 통신 196

9.2 실습 예제 198



제10장 DMA 활용 209

10.1 DMA 개요 210

10.2 DMA의 동작 210

10.3 DMA 관련 레지스터 213

10.4 실습 예제 218



제3편 신호처리 응용 및 BMDAQ 활용편 225



제11장 디지털 필터 설계 및 활용 227

11.1 디지털 필터 기초 228

11.1.1 FIR(유한 임펄스 응답) 시스템의 차분방정식 230

11.1.2 IIR(무한 임펄스 응답) 시스템의 차분방정식 230

11.1.3 디지털 필터링의 개념 231

11.2 디지털 필터 설계 233

11.3 디지털 필터 활용-Matlab 234

11.4 디지털 필터 활용-BMDAQ 249



제12장 ECG 파형분석 및 신호처리 255

12.1 개 요 256

12.2 QRS complex 검출 알고리즘 257

12.2.1 Band pass filter 257

12.2.2 Derivation 261

12.2.3 Squaring 262

12.2.4 Moving-Window 262

12.2.5 Peak detection 264

12.3 실습 예제 271



제13장 BMDAQ 보드 활용 283

13.1 개 요 284

13.2 시스템 상세 내용 285

13.3 펌웨어 소스코드 287

13.4 PC 소프트웨어 300



부록 기초편 303



부록 A 심전도의 기초 305

A.1 심장 306

A.1.1 심장의 해부와 생리(anatomy and physiology of the heart) 306

A.1.2 심장의 전도계(conduction system of the heart) 310

A.1.3 심장 질환 315

A.2 심전도 317

A.2.1 심전도 파형 317

A.2.2 심전도 리드시스템 318

A.2.3 심전도 증폭기 324

A.2.4 벡터 심전도 325



부록 B Visual C++를 이용한 시리얼 통신 및 Display 구현 327

B.1 개 요 328

B.2 BMDAQ 보드에서의 Firmware code 330

B.3 PC에서 전송된 데이터의 복원 및 출력 332



부록 C 기타 참고사항 345

C.1 MSP430F1610/1611 핀 기능 346

C.2 BMDAQ 회로도 347

C.2.1 아날로그 회로도 347

C.2.2 디지털 회로도 I 348

C.2.3 디지털 회로도 II 349

C.3 안전수칙 확인서 350



찾아보기 351

이종실