基于DSP的心電監護模塊設計方案

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字程序空間中的前32K字可映射到F206片內集成的閃爍存儲器(FLASH MEMORY)中，這樣可以通過(guò)仿真器對F206進(jìn)行在線(xiàn)的編程和擦寫(xiě)。F206片內具有4級流水線(xiàn)結構，其指令集專(zhuān)門(mén)對信號處理中常用的乘－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位倒序檢索尋址。

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，采樣頻率必須不低于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位逐次逼近型并行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)ADS774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)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，如果把T波誤判為R波來(lái)進(jìn)行心率計算，則會(huì )產(chǎn)生很大的誤差。通過(guò)對大量的心電信號進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現R波通常位于0~33Hz的頻率范圍內，而T波位于0~9Hz的頻率范圍內。為了在心率計算時(shí)消除Ｔ波可能引起的干擾，我們設計了一個(gè)有源帶通濾波器，其中心頻率f0=12.867Hz，帶寬B=f0/Q=5.629Hz，下限截止頻率f1=10.3565Hz；上限截止頻率f2=15.9855Hz。標準心電信號通過(guò)該帶通濾波器前后的波形如圖3所示?？梢钥闯?，頻率相對較低的T波有很大的衰減而R波基本保持不變。

3 軟件設計

該心電監護模塊的軟件由兩部分組成。一是運行在TMS320F206片內FLASH MEMORY中的系統監控程序，二是運行于PC機端的圖形界面用戶(hù)程序。前者對實(shí)時(shí)性的要求較高，為提高運行效率，采用TMS320C2XX匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，經(jīng)匯編、鏈接后在外部程序RAM中調試，調試成功后燒寫(xiě)到TMS320F206的FLASH中。它主要由如下幾個(gè)功能模塊組成：①系統初始化模塊。完成RAM、ADS774、中斷以及定時(shí)器等外設的初始化設置；②定時(shí)采樣模塊，進(jìn)行四路信號的分時(shí)采集，經(jīng)預處理后存入數據RAM；③心率、呼吸率計算和體溫插值運算模塊；④512點(diǎn)心電信號的基2 FFT運算模塊；⑤異步串行通信模塊，實(shí)現與PC機之間的通信協(xié)議。

下面簡(jiǎn)要介紹一下心率計算模塊的算法。設dR-R是相鄰兩個(gè)R波的間距(即兩個(gè)R波之間有dR-R個(gè)采樣點(diǎn))，由于心電通道的采樣率為250Hz，所以250÷dR-R即為一秒鐘內R波的個(gè)數，60×250÷dR-R即為一分鐘內的心跳次數。因此關(guān)鍵在于對R波進(jìn)行準確定位。算法流程如圖4所示。其中F I 為數據RAM中最新的1024個(gè)心電信號值，一次運算后， FIFO即被刷新，準備進(jìn)行下次運算。 圖5顯示了R波的定位結果，X標識出查找到的R波最高點(diǎn)。

為了驗證這個(gè)算法的正確性，我們以BIO-TECH心電信號仿真器產(chǎn)生的標準心電信號作為測試信號，發(fā)現它對正常信號和大部分異常信號均能準確地測出心率。

4 模塊調試過(guò)程

整個(gè)心電模塊的調試過(guò)程分三個(gè)階段：①硬件調試，確保DSP板上的各器件均正常工作，這是進(jìn)行軟件調試的基礎；②TMS320F206端軟件調試，采用模塊化方法，對各個(gè)功能編寫(xiě)相應的子程序，分別調通各個(gè)功能模塊，然后把這些模塊通過(guò)接口組裝起來(lái)，實(shí)現整個(gè)系統的功能；③圖形用戶(hù)界面GUI軟件調試，與TMS320F206的通訊模塊調試同時(shí)進(jìn)行，確保數據的正確收發(fā)，并在此基礎上逐步增加新的功能。
調試結束后，用仿真器的FLASH燒寫(xiě)程序將目標代碼通過(guò)JTAG口下載到TMS320F206中去，實(shí)現整個(gè)系統的脫機運行。

本系統已經(jīng)達到設計任務(wù)書(shū)規定的要求，但還具有進(jìn)一步擴展的潛力。軟件方面，由于采用模塊化設計，可以方便地增加新的功能模塊，如自相關(guān)處理等；在硬件方面，TMS320F206和外圍芯片的接口邏輯目前是用小規模集成電路實(shí)現，今后可改用PLD或FPGA芯片編程實(shí)現接口邏輯，減少芯片的數量，提高系統的可靠性。