摘 要： 美國德州儀器公司(TI" title="TI">TI)的TMS320C2XX" title="TMS320C2XX">TMS320C2XX系列定點數(shù)字信號處理器(DSP)具有強大的實時處理能力和高度集成的片上硬件資源,，使用靈活方便，在數(shù)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" title="TMS320F206">TMS320F206在心電監(jiān)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(jiān)護 ECG" title="ECG">ECG 數(shù)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,，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。通過體表把這種變動著的電位差按時間順序描記出來的連續(xù)曲線就是心電圖(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,。通過觀察患者的心電圖,，其診斷準確率幾乎可以達到100%。心電監(jiān)護模塊的功能就是實時地記錄下病人的心電波形,，并進行自動分析和處理,，同時給出相應的結(jié)論。
隨著數(shù)字信號處理技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展,，單片數(shù)字信號處理器的功能越來越強大,，價格越來越低，越來越多地被應用到人們生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域,。本文介紹一種基于DSP芯片的心電監(jiān)護模塊的解決方案,，討論了它的硬件結(jié)構(gòu)和軟件組成。
該心電監(jiān)護模塊是一個以美國德州儀器公司(TI)的TMS320F206為核心的DSP數(shù)據(jù)采集和處理模塊,。整個系統(tǒng)安裝在一塊4層的PCB板上,，通過9針RS-232電纜和PC機進行通訊，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)等均來自心電信號前期模擬處理模塊,。
1 TMS320F206簡介
TMS320F206(以下簡稱F206)是TI公司于1996年推出的一種性價比很高的16位定點DSP芯片,，運算速度為40MIPS。F206體系采用改進的哈佛結(jié)構(gòu),，將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的總線分開,，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(shù)據(jù)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(nèi)集成的閃爍存儲器(FLASH MEMORY)中,，這樣可以通過仿真器對F206進行在線的編程和擦寫。F206片內(nèi)具有4級流水線結(jié)構(gòu),，其指令集專門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(shù)據(jù);支持基2的FFT位倒序檢索尋址。
除支持高速運算以外,，F(xiàn)206還具有眾多的片上外設(shè),，主要包括：①軟件可編程定時器;②用于程序、數(shù)據(jù),、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(nèi)振蕩器和鎖相環(huán)(PLL)，用于時鐘選擇×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(jiān)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，在確定采樣率時就以心電信號為基準,。經(jīng)驗表明,，在做常規(guī)心電圖時，要求系統(tǒng)的帶寬為100Hz左右,，根據(jù)Nyquist采樣定理,，采樣頻率必須不低于200Hz?？紤]到一定的工作裕量,，每個工作通道的采樣率取250Hz，這樣對4個通道而言,，總的工作頻率為1kHz,。通道切換的工作由一片雙向模擬開關(guān)CD4051來實現(xiàn)，將C,、B,、A控制端連接到TMS320F206的三根地址線上，通過I/O指令打開相應的模擬通道,，進行信號的采樣,。
信號的采樣和量化工作由一片ADS774完成。ADS774是美國Burr-Brown公司生產(chǎn)的12位逐次逼近型并行A/D轉(zhuǎn)換器,，典型轉(zhuǎn)換時間為8.5μs,，并且有多種工作方式可供用戶選擇,。在本心電模塊中我們選用了直通(throughout)模式，僅用兩根控制線R/C和STATUS與TSM320F206接口,，其工作原理和時序如圖2所示,。
TMS320F206通過指令在XF引腳上產(chǎn)生一個寬度大于25ns的低電平脈沖，啟動ADS774進行一次轉(zhuǎn)換,。啟動后ADS774的STATUS引腳變?yōu)楦唠娖?，轉(zhuǎn)換結(jié)束后ADS774數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)有效，此時其STATUS引腳跳變回低電平,，通過這個電平跳變觸發(fā)TMS320F206的INT1外部中斷,，將12位轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)存儲器。
由于TMS320F206片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲空間有限,，為保存大量的采樣數(shù)據(jù)和運算的中間結(jié)果,，需增加外部數(shù)據(jù)存儲器;同時為了在調(diào)試程序時能夠設(shè)置斷點和進行單步操作，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(shù)據(jù)存儲器，分別用F206的PS和DS信號進行片選,。HM62256-10的典型存取時間為100ns,，而TMS320F206的指令周期為50ns。為節(jié)省硬件等待電路的開支,，利用了TMS320F206片內(nèi)的可編程軟件等待狀態(tài)發(fā)生器產(chǎn)生兩個等待狀態(tài),，從而滿足存儲器的操作時間要求。利用TMS320F206片上集成的全雙工異步串口,，可以實現(xiàn)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(zhuǎn)換芯片MAX202,，它采用+5V單電源供電,，使用時只需加幾個電容，便能完成兩種電平的轉(zhuǎn)換,。為防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中受到干擾,，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(jiān)護模塊的一個重要功能,，它關(guān)系到后面進行心率計算及心律失常分析結(jié)果的正確性,。一個正常人完整的的心電波形由P、Q,、R,、S、T五個部分組成,，其中R波和T波的幅值相對較高,。心率計算通常是根據(jù)心電波形中R波的間距來推算得到,。但在少數(shù)異常波形中，T波的幅值會超過R波,，如果把T波誤判為R波來進行心率計算,，則會產(chǎn)生很大的誤差。通過對大量的心電信號進行頻譜分析,，發(fā)現(xiàn)R波通常位于0～33Hz的頻率范圍內(nèi),，而T波位于0～9Hz的頻率范圍內(nèi)。為了在心率計算時消除T波可能引起的干擾,，我們設(shè)計了一個有源帶通濾波器,，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(shè)計
該心電監(jiān)護模塊的軟件由兩部分組成,。一是運行在TMS320F206片內(nèi)FLASH MEMORY中的系統(tǒng)監(jiān)控程序,，二是運行于PC機端的圖形界面用戶程序。前者對實時性的要求較高,，為提高運行效率,，采用TMS320C2XX匯編語言編寫，經(jīng)匯編,、鏈接后在外部程序RAM中調(diào)試，調(diào)試成功后燒寫到TMS320F206的FLASH中,。它主要由如下幾個功能模塊組成：①系統(tǒng)初始化模塊,。完成RAM、ADS774,、中斷以及定時器等外設(shè)的初始化設(shè)置;②定時采樣模塊,，進行四路信號的分時采集，經(jīng)預處理后存入數(shù)據(jù)RAM;③心率,、呼吸率計算和體溫插值運算模塊;④512點心電信號的基2 FFT運算模塊;⑤異步串行通信模塊,，實現(xiàn)與PC機之間的通信協(xié)議。
下面簡要介紹一下心率計算模塊的算法,。設(shè)dR-R是相鄰兩個R波的間距(即兩個R波之間有dR-R個采樣點),，由于心電通道的采樣率為250Hz，所以250÷dR-R即為一秒鐘內(nèi)R波的個數(shù),，60×250÷dR-R即為一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù),。因此關(guān)鍵在于對R波進行準確定位,。算法流程如圖4所示。其中F[I]為數(shù)據(jù)RAM中最新的1024個心電信號值,，一次運算后,， FIFO即被刷新，準備進行下次運算,。
圖5顯示了R波的定位結(jié)果,，“X”標識出查找到的R波最高點。為了驗證這個算法的正確性,，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(xiàn)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(diào)試過程
整個心電模塊的調(diào)試過程分三個階段：①硬件調(diào)試,，確保DSP板上的各器件均正常工作,，這是進行軟件調(diào)試的基礎(chǔ);②TMS320F206端軟件調(diào)試，采用模塊化方法,，對各個功能編寫相應的子程序,，分別調(diào)通各個功能模塊，然后把這些模塊通過接口組裝起來,，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能;③圖形用戶界面GUI軟件調(diào)試,，與TMS320F206的通訊模塊調(diào)試同時進行，確保數(shù)據(jù)的正確收發(fā),，并在此基礎(chǔ)上逐步增加新的功能,。
調(diào)試結(jié)束后，用仿真器的FLASH燒寫程序?qū)⒛繕舜a通過JTAG口下載到TMS320F206中去,，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的脫機運行,。
本系統(tǒng)已經(jīng)達到設(shè)計任務書規(guī)定的要求，但還具有進一步擴展的潛力,。軟件方面,，由于采用模塊化設(shè)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(guī)模集成電路實現(xiàn)，今后可改用PLD或FPGA芯片編程實現(xiàn)接口邏輯,，減少芯片的數(shù)量,，提高系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻
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