基于TI DSP系統的心電監護儀系統設計

本文設計了一種基于TI公司TMS320LF2407A DSP的心電監護系統，此系統體積小、成本低、實(shí)用性強。

TMS320LF2407A DSP介紹

心電監護系統很重要的一部分就是對心電信號進(jìn)行處理，因此選一款合適的信號處理器十分重要。當前最成功的DSP芯片當數美國TI公司的系列產(chǎn)品，其主推的 三大DSP平臺TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000已經(jīng)成為當今世界上最有影響力的DSP芯片。

本系統采用TMS320LF2407A為信號處理器和核心控制器。TMS320LF2407A是TI公司推出的新型高性能16位定點(diǎn)數字信號處理器，是 TMS320C2000系列的新成員。它專(zhuān)門(mén)為數字控制設計，集DSP的高速信號處理能力及適用于控制的優(yōu)化外圍電路于一體，是真正的單芯片控制器，在數字控制系統中得到了廣泛應用。

TMS320LF2407A DSP具備以下一些特點(diǎn)：

(1)采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，降低了控制器的功耗; 40MIPS的執行速度使得指令周期縮短到25ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。

(2)基于TMS320C2xx DSP的CPU內核，保證了TMS320LF2407A DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。

(3)片內有高達32KB的FLASH程序存儲器，高達1.5KB的數據/程序RAM ，544字雙口RAM(DARAM)和2KB的單口RAM(SARAM) 。

(4)兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括兩個(gè)16位通用定時(shí)器和8個(gè)16位的脈寬調制((PWM)通道。

(5)可擴展的外部存儲器總共192K字空間：64K字程序存儲器空間，4K字數據存儲器空間和64K字I/0尋址空間。

(6)看門(mén)狗定時(shí)器模塊(WDT)。

(7) 10位A/D轉換器最小轉換時(shí)間為500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉換器或一個(gè)16通道輸入的A/D轉換器。

(8)控制器局域網(wǎng)絡(luò )(CAN)2.0B模塊。

(9)串行通信接口(SCI)模塊。

(10) 16位串行外設(SPI)接口模塊。

(11)基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。

(12)高達40個(gè)可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳(GPIO)。

(13)5個(gè)外部中斷(兩個(gè)電極驅動(dòng)保護、復位和兩個(gè)可屏蔽中斷)。

(14)電源管理包括3種低功耗模式，能獨立地將外設器件轉入低功耗模式。

(15)具有加密功能，密鑰長(cháng)度64位。

系統硬件結構

整個(gè)系統可分為心電信號采集部分和信號處理部分。信號處理部分以TMS320LF2407A為處理器，擴展了外部存儲器、液晶顯示、按鍵和串行通訊接口等。

電源是系統工作的首要條件，本系統采用5V和3.3V兩種電壓，系統輸入電源電壓為5V直流，因此需要轉換，本系統采用AMS1117-3.3進(jìn)行5V3.3V電壓轉換，發(fā)光二極管D3為電源指示燈。

心電圖(ECG)采集電路通過(guò)傳感器采集心電信號然后把采集的模擬信號送到TMS320LF2407A內部集成的10位A/D輸入端進(jìn)行A/D轉換，采用由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)一個(gè)16通道輸入的A/D轉換器的方式來(lái)提高轉換精度以精確采集微弱的心電信號。

TMS320LF2407A 內部集成了1.5K RAM和32K FLASH，32K FLASH容量已基本夠用，而內部的RAM存儲空間太小，為保存大量的采樣數據、運算的中間結果和提高系統的運行速度，系統增加了外部數據存儲器 (RAM)和外部程序存儲器(RAM)，分別用TMS320LF2407A的PS和DS信號進(jìn)行片選。本系統采用的RAM存儲器是兩片 IS61LV6416-10T，它的存儲容量為64K 16位。數據存取時(shí)間為10ns，能滿(mǎn)足高速運行的需要，工作電壓為3.3V，與DSP工作電壓一致，無(wú)需電平轉換電路。

液晶顯示模塊用來(lái)顯示心電圖，使用戶(hù)在沒(méi)有PC機的情況下也可以直觀(guān)地觀(guān)察到心電圖。心電圖也可以通過(guò)串口和PC機相連由PC機顯示。在不用來(lái)顯示心電圖 時(shí)，液晶可以顯示系統狀態(tài)和其他信息。此液晶模塊內含SED1335控制器，分辨率為128 128，該模塊特點(diǎn)是功耗低、抗干擾能力強，模塊上集成了液晶顯示控制器、驅動(dòng)器、RAM,ROM和LCD顯示器，使用時(shí)只需向模塊送入相應的命令和數據 即可顯示所需信息。與DSP接口簡(jiǎn)單，使用方便靈活。 TMS320LF2407A是3.3V供電，液晶模塊是5V電源供電，所以它們之間要通過(guò)電平轉換電路連接，本系統采用SN74LV16345A來(lái)實(shí)現電平匹配。

TMS320LF2407A集成了一個(gè)全雙工異步串口，可以實(shí)現心電模塊和PC機或者其他設備的通信。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MAX232，它采用+5V單電源供電，電路簡(jiǎn)單，使用方便。

為了方便設置，系統還增加了按鍵模塊，用戶(hù)可以通過(guò)按鍵來(lái)控制系統的一些功能，如啟動(dòng)和停止等。

軟件設計

了解和分析心電的特征是研究心電信號檢測的基礎，針對心電在不同頻段的特征，設計相應頻段的檢測算法，這是軟件設計的重要任務(wù)。

心電圖是由一系列的波組所構成，每個(gè)波組代表著(zhù)每一個(gè)心動(dòng)周期。一個(gè)波組包括P波、QRS波群、T波及U波，研究表明心電主要的波段在QRS波，R波以及 P波段。心率變異性(HVR)分析目前在臨床研究中受到了普遍的重視，是分析心電異常的主要方法。心率變異性分析的對象是心電波形的RR間期，系統在對數 據采樣時(shí)，就對波形的R波進(jìn)行定位，找到R波位置，并計算出相鄰R波的間隔RR間期，然后存儲。系統軟件的任務(wù)就是把采集到的心電信號進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行 心率變異性分析，計算出RR間期，最后把最終的心電圖顯示在液晶屏幕上。

所有程序調試結束后，用仿真器的FLASH燒寫(xiě)程序通過(guò)JTAG口將目標代碼下載到TMS320LF2407A的FLASH中去，實(shí)現整個(gè)系統的獨立運行。

結束語(yǔ)

本文設計了一種以TMS320LF2407A DSP為信號處理器的心電監護系統，該系統把心電信號的采集、分析和顯示集成于一體,而且系統體積小、成本低、便于攜帶、實(shí)用性強。