基于DSP的心電監護模塊設計

美國德州儀器公司（TI）的TMS320C2XX系列定點(diǎn)數字信號處理器（DSP）具有強大的實(shí)時(shí)處理能力和高度集成的片上硬件資源,使用靈活方便,在數字信號處理領(lǐng)域得到了廣泛的應用。討論了該DSP系列中的TMS320F206的心電監護模塊中的應用,包括硬件接口和軟件編程。

關(guān)鍵詞：心電監護 ECG 數字信號處理器 AD采樣

心臟在機械收縮之前,心肌預先發(fā)生電的激動(dòng),并向全身各部位放散,從而在體表的不同部位產(chǎn)生電位差。通過(guò)體表把這種變動(dòng)著(zhù)的電位差按時(shí)間順序描記出來(lái)的連續曲線(xiàn)就是心電圖（ECG）。

心電圖是診斷心律失常的最可靠的途徑,其它臨床檢查雖然也可以診斷某些心律失常,但是準確率不高。通過(guò)觀(guān)察患者的心電圖,其診斷準確率幾乎可以達到100%。心電監護模塊的功能就是實(shí)時(shí)地記錄下病人的心電波形,并進(jìn)行自動(dòng)分析和處理,同時(shí)給出相應的結論。

隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)和大規模集成電路工藝的發(fā)展,單片數字信號處理器的功能越來(lái)越強大,價(jià)格越來(lái)越低,越來(lái)越多地被應用到人們生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。本文介紹一種基于DSP芯片的心電監護模塊的解決方案,討論了它的硬件結構和軟件組成。

該心電監護模塊是一個(gè)以美國德州儀器公司（TI）的TMS320F206為核心的DSP數據采集和處理模塊。整個(gè)系統安裝在一塊4層的PCB板上,通過(guò)9針RS-232電纜和PC機進(jìn)行通訊,其原理框圖如圖1所示。其中所有的輸入信號包括ECG1、ECG2（兩路心電信號）、TEMPI（體溫信號）、RESP（呼吸信號）、LEADOFF（導聯(lián)脫落檢測）、PACE（起博器檢測）等均來(lái)自心電信號前期模擬處理模塊。

1 TMS320F206簡(jiǎn)介

TMS320F206（以下簡(jiǎn)稱(chēng)F206）是TI公司于1996年推出的一種性?xún)r(jià)比很高的16位定點(diǎn)DSP芯片,運算速度為40MIPS。F206體系采用改進(jìn)的哈佛結構。將程序存儲器和數據存儲器的總線(xiàn)分開(kāi),以便最大限度地提高處理能力。其可尋址空間為224K字（64K字程序空間,64K字數據空間,64K字I/O空間,32K字全局空間）,64K字程序空間中前32K字可映射到F206片內集成的內爍存儲器（FLASH MEMORY）中,這樣可以?xún)染哂?級流水線(xiàn)結構,其指令集專(zhuān)門(mén)對信號算是中常用的乘-加運算作了優(yōu)化,支持單周期的乘法/累加指令;支持存儲器塊搬移指令,以便更好地管理程序和數據;支持基2的FFT位倒序檢查尋址。

除支持高速運算以外,F206還具有眾多的片上外設,主要包括：①軟件可編程定時(shí)器;②用于程序、數據、I/O存儲空間的軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器,便于和低速器件接口;③片內振蕩器和鎖相環(huán)（PLL）,用于時(shí)鐘選擇×1,×2,×4,÷2;④同步串口,便于和串行CODEC接口;⑤全雙工的異步串口,便于和PC機通信。

2 硬件組成

該心電監護模塊共有4路輸入：兩路心電信號ECG1和ECG2、一路體溫信號TEMPI、一路呼吸信號RESP,采用分時(shí)采樣的工作方式。由于呼吸信號和體溫信號的頻率遠小于心電信號的頻率,在確定采樣率時(shí)就以心電信號為基準。經(jīng)驗表明,在做常規心電圖時(shí),要求系統的帶寬為100Hz左右,根據Nyquist采樣定理,采樣頻率必須低于200Hz?？紤]到一定的工作裕量,每個(gè)工作通道的采樣率取250Hz,這樣對4個(gè)通道而言,總的工作頻率為1kHz。通道切換的工作由一片雙向模擬開(kāi)關(guān)CD4051來(lái)實(shí)現,將C、B、A控制端連接到TMS320F206的三根地址線(xiàn)上,通過(guò)I/O指令打開(kāi)相應的模擬通道,進(jìn)行信號的采樣。

信號的采樣和量化工作由一片ADS774完成。ADS774是美國B(niǎo)urr-Brown公司生產(chǎn)的12位逐次副近型并行A/D轉換器,典型轉換時(shí)間為8.5μs,并且有多種工作方式可供用戶(hù)選擇。在本心電模塊中我們選用了直通（throughout）模式,僅用兩根控制線(xiàn)R/C和STATUS與TSM320F206接口,其工作原理和時(shí)序如圖2所示。

TMS320F206通過(guò)指令在XF引腳上產(chǎn)生一個(gè)寬度大于25ns的低電平脈沖,啟動(dòng)ADS664進(jìn)行一次轉換。啟動(dòng)后ADS774的STATUS引腳變?yōu)楦唠娖?轉換結束后ADS774數據線(xiàn)上的數據有效,此時(shí)其STATUS引腳跳變回低電平,通過(guò)這個(gè)電平跳變觸發(fā)TMS320F206的INT1外部中斷,將12位轉換數據讀入數據存儲器。

由于TMS320F206片內的數據存儲空間有限,為保存大量的采樣數據和運算的中間結果,需增加外部數據存儲器;同時(shí)為了在調試程序時(shí)能夠設置斷點(diǎn)和進(jìn)行單步操作;也需要增加外部程序存儲器。我們采用了4片日立公司的8位SRAM HM62256-10,兩兩組成16位的程序存儲器和數據存儲器,分別用F206的PS和DS信號進(jìn)行片選。HM62256-10的典型存取時(shí)間為100ns,而TMS320F206的指令周期為50ns。為節省硬件等待電路的開(kāi)中支,利用了TMS320F206片內的可編程軟件等待狀態(tài)發(fā)生器產(chǎn)生兩個(gè)等待狀態(tài),從而滿(mǎn)足存儲器的操作時(shí)間要求。利用TMS320F206片上集成的全雙工異步串口,可以實(shí)現心電模塊和PC機的通信。但是RS232電平和TTL電平不兼容,我們使用了一片電平轉換芯片MAX202,它采用+5V單電源供電,使用時(shí)只需加幾個(gè)電容,便能完成兩種電平的轉換。為防止數據在傳輸過(guò)程中受到干擾,在輸入輸出端都加上光電耦合器。

R波的精確定位是心電監護模塊的一個(gè)重要功能,它關(guān)系到后面進(jìn)行心率計算及心律失常分析結果的正確性。一個(gè)正常人完整的心電波形由P、Q、R、S、T五個(gè)部分組成,其中R波和T波的幅值相對較高。心率計算通常是根據心電波形中R波的間距來(lái)推算得到。但在少數異常波形中,T波的幅值會(huì )超過(guò)R波,