摘  要： 介紹12導(dǎo)聯(lián)數(shù)字心電圖機(jī)研制開(kāi)發(fā),，采用雙CPU架構(gòu)，包括數(shù)字信號(hào)處理TMS320F206和微控制器AT89C55,。該儀器利用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F206PZ實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行濾波和心電參數(shù)計(jì)算;熱敏打印心電圖形和檢測(cè)結(jié)果;存儲(chǔ)病人的心電數(shù)據(jù),，心電圖形的回放打印，與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通主,，建立病人的心電數(shù)據(jù)庫(kù),，進(jìn)一步研究分析。
關(guān)鍵詞： 心電圖,； 數(shù)字信號(hào)處理器,； 數(shù)據(jù)采集； 熱敏打印

    數(shù)字心電圖機(jī)除了具備常規(guī)心電圖機(jī)[1]的優(yōu)點(diǎn)外,，還具有自身不可替代的優(yōu)勢(shì),。雖然ECG(Electro Cardio Graph)信號(hào)可直觀地反映人體心臟的工作狀況，但由于心電信號(hào)本身就很微弱(一般只有mV級(jí)),，而在測(cè)量時(shí)外部干擾(如工頻干擾,、肌電噪聲、呼吸干擾,、基線漂移等)嚴(yán)重,，所以在采集時(shí)具有較大的難度。心電圖機(jī)記錄ECG的方式從技術(shù)上可分為兩大類：?jiǎn)瓮ǖ婪植接涗浭胶投嗤ǖ劳接涗浭健Ｓ捎谑芗夹g(shù)條件的限制,以前的心電圖機(jī)基本屬于前者,。趨勢(shì)是由模擬式單通道記錄逐漸向數(shù)字式12導(dǎo)聯(lián)同步記錄ECG信號(hào)發(fā)展,。開(kāi)發(fā)的數(shù)字心電圖機(jī)技術(shù)要求如下：
    (1)具有自動(dòng)分析功能時(shí)，可以對(duì)心率等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,，自動(dòng)報(bào)告心律失常類別,。
    (2)數(shù)字心電圖機(jī)的抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)各種干擾采用數(shù)字濾波的方法,大大優(yōu)于模擬心電圖機(jī)的性能指標(biāo),。
    (3)準(zhǔn)確度高,實(shí)時(shí)性好,。數(shù)字化心電圖機(jī)采用高速、高精度A/D采集心電數(shù)據(jù),，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,。
    (4)自動(dòng)測(cè)試分析功能。由于數(shù)字化心電圖機(jī)帶有自動(dòng)分析系統(tǒng),，故其可以具備自動(dòng)測(cè)量和心電圖解釋功能，可實(shí)時(shí)提供心率,、R-R間期,、S-T段等參考數(shù)據(jù)以輔助診斷。
    (5)心電信息的再現(xiàn)和保存,。由于在數(shù)字化心電圖機(jī)中,，心電信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)化后成為數(shù)字量存放于非易失性存儲(chǔ)器中，可隨時(shí)提取回放,，或通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口RS233傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng),，有利于醫(yī)務(wù)人員對(duì)患者進(jìn)行進(jìn)一步診斷和心電信息交流。
    (6)友好人機(jī)接口界面,。操作者可方便地選擇各種采集,、濾波、打印方式,，并可通過(guò)液晶顯示屏（LCD）顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài),，以便隨時(shí)改變方式或工作狀態(tài)，獲得最佳數(shù)據(jù),。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)必須對(duì)心電圖的記錄,、分析理論和技術(shù)進(jìn)行多方面的研究，重點(diǎn)突破在低成本和低功耗的條件下,實(shí)現(xiàn)和滿足上述要求的硬件和軟件,。
2 基于DSP與單片機(jī)技術(shù)的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)
    TMS320F206（以下簡(jiǎn)稱F206）是美國(guó)TI公司推出的一種性能價(jià)格比較高的定點(diǎn)DSP芯片[2],，全部采用靜態(tài)CMOS集成工藝制作而成。它以TMS320C2XX為基礎(chǔ),，但功耗更低,。32 KB閃爍存儲(chǔ)器內(nèi)嵌于DSP中，減小了系統(tǒng)體積,，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,，而且毋需專門的編程器(XDS510仿真器即具有編程功能),，從而減少了開(kāi)發(fā)成本。在本系統(tǒng)中,，F(xiàn)206負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)打印等高速實(shí)時(shí)任務(wù),。經(jīng)實(shí)踐表明，采用了該設(shè)計(jì)后充分發(fā)揮了F206速度快,、精度高的特點(diǎn),，使系統(tǒng)能夠達(dá)到多通道實(shí)時(shí)高速同步采樣、處理及精度的指標(biāo)要求,。作為整機(jī)構(gòu)成的基礎(chǔ),，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)直接影響到整機(jī)的性能與價(jià)格。為了縮小整機(jī)體積并降低功耗,，必須在滿足系統(tǒng)性能要求的情況下盡可能減少硬件開(kāi)銷,。
2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)上述功能，將整個(gè)心電圖機(jī)的主體硬件系統(tǒng)分為三塊電路板,，即放大電路板,、電源板和系統(tǒng)板。這樣既有利于縮小系統(tǒng)的體積,方便以后的技術(shù)升級(jí),，同時(shí)還使得以后的生產(chǎn)裝配更為簡(jiǎn)便,。由于采用了多層印刷電路板和表面貼片封裝的集成芯片，使得走線縮短,，整機(jī)體積減小,，從而提高了整機(jī)的可靠性。在傳統(tǒng)的數(shù)字心電圖機(jī)中[4],，一般采取8051,、80C196等普通單片機(jī)作為核心部件[2]，由于普通單片機(jī)采用的是馮·諾依曼結(jié)構(gòu),，即程序指令和數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)空間,，指令周期較長(zhǎng)，多為微秒級(jí),，在實(shí)際應(yīng)用中限制了采樣頻率及算法的實(shí)時(shí)性,，一般只能對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行200 Hz或500 Hz采樣，且較難做到實(shí)時(shí)處理,。而數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)放棄了馮·諾依曼結(jié)構(gòu),，采用哈佛結(jié)構(gòu)，即將程序指令與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間分開(kāi),，各有自己的地址與數(shù)據(jù)總線,。這就使得處理指令和數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行，從而大大提高了處理速度，指令周期多為納秒級(jí)且絕大部分為單周期指令,，滿足實(shí)時(shí)信號(hào)處理的要求,。在具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的同時(shí)，DSP處理器在控制處理方面卻不如普通單片機(jī),，如I/O口線較少,，與慢速液晶顯示器難以實(shí)現(xiàn)“無(wú)縫”連接等，而51單片機(jī)能彌補(bǔ)這一缺陷,。因此,，DSP處理器與普通單片機(jī)結(jié)合，就能各取所長(zhǎng)以獲得較高的性價(jià)比,。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。
    在圖1中，8路放大器分別對(duì)I,、II,、V1、V2,、V3,、V4、V5,、V6 8個(gè)導(dǎo)聯(lián)精確放大1 000倍,，而III,、aVR,、aVL、aVF 4個(gè)導(dǎo)聯(lián)的值可由I,、II線性求出： III=II-I,， aVR=(-I-II)/2,， aVL=(I-III)/2,， aVF=(II+III)/2,。根據(jù)美國(guó)心臟聯(lián)合會(huì)公布的標(biāo)準(zhǔn)，ECG信號(hào)頻率范圍為0.05 Hz~100 Hz (3 dB),，由香農(nóng)取樣定理可知,，對(duì)心電信號(hào)的采樣頻率須至少為200 Hz。但為了獲得心電信號(hào)更細(xì)節(jié)的信息,，并提高分析精度,，以1 000 Hz的高采樣率進(jìn)行采樣[6]。這一工作由51單片機(jī)完成,，當(dāng)每路信號(hào)均采樣一點(diǎn)完畢即通過(guò)P3.4向DSP發(fā)出中斷信號(hào)INT1,，DSP便可進(jìn)行濾波，打印等工作。雙端口RAM用于51單片機(jī)與DSP處理器的并行通信,。通過(guò)2片CPU將采樣與處理并行進(jìn)行,，這樣可大大提高采樣速度及處理能力。MAX232接口電路可用于DSP與PC機(jī)串行通信,。AT89C55內(nèi)部具有24 KB的EEPROM程序空間,，TMS320F206片內(nèi)也有32  KB的閃爍存儲(chǔ)器供程序存儲(chǔ)用[Y8]。但為了在系統(tǒng)研制階段對(duì)DSP系統(tǒng)方便地進(jìn)行程序調(diào)試,還擴(kuò)展了兩片32 K×8 BITS的高速靜態(tài)RAM(CY7C199),。為了進(jìn)行仿真及閃爍存儲(chǔ)器的編程工作,，JTAG接口電路也是必須的。

2.2 TMS320F206與AT89C55的高速數(shù)據(jù)通信
    在雙CPU系統(tǒng)中,，為了充分利用雙CPU資源,，將51單片機(jī)強(qiáng)大的控制功能與DSP處理器的快速處理功能有效結(jié)合，雙CPU之間的通信與協(xié)調(diào)顯得極其重要,。而數(shù)據(jù)通信無(wú)非是兩種：串行通信及并行通信,。若采用前者，首先是通信速度上受到波特率的限制,，而且占用較多的CPU資源,另外,DSP的異步串行口須用于與PC機(jī)間的通信,，而同步串行口則用于與熱敏打印機(jī)接口。為此,，采用并行通信的方式：利用2 KB的雙端口RAM IDT7132來(lái)實(shí)現(xiàn)雙CPU之間的并行通信,。IDT7132是目前被廣泛采用的一種并行通信器件，速度快,、功耗低,，尤其適用于雙CPU之間的通信。在對(duì)雙端口的設(shè)計(jì)中,，主要是解決訪問(wèn)仲裁問(wèn)題,。在雙端口RAM內(nèi)部有一個(gè)訪問(wèn)仲裁器用以協(xié)調(diào)兩邊的訪問(wèn)請(qǐng)求。為此,，在電路設(shè)計(jì)中必須將相關(guān)的引腳相連,，同時(shí)與軟件相配合以保證兩邊的讀寫(xiě)時(shí)序正確。雙CPU都必須對(duì)雙端口RAM單邊正確尋址訪問(wèn),，否則將引起數(shù)據(jù)混亂或丟失,。由于雙端口RAM在兩個(gè)CPU系統(tǒng)中的譯碼條件不一樣，所占的存儲(chǔ)空間也不一樣：在89C55系統(tǒng)中將地址線A13與右端片選端CER相連,則占用的數(shù)據(jù)空間可分配為C000h—C7ffh,，在F206系統(tǒng)中通過(guò)GAL16V8進(jìn)行譯碼,，占用了數(shù)據(jù)空間的7800h—78ffh。雙端口RAM相當(dāng)于兩片普通RAM加上一個(gè)連接兩邊的訪問(wèn)請(qǐng)求仲裁器,，因此其訪問(wèn)條件不同于普通RAM：當(dāng)某一CPU準(zhǔn)備訪問(wèn)雙口RAM中的某一單元前,須先判斷另一CPU是否正讀寫(xiě)雙口RAM,，若正在讀寫(xiě),則該CPU只能等待另一CPU訪問(wèn)結(jié)束,。如若DSP寫(xiě)雙口RAM的某一單元可通過(guò)指令實(shí)現(xiàn)，而51機(jī)訪問(wèn)雙口RAM可通過(guò)I/O口讀寫(xiě)指令實(shí)現(xiàn),。而單片機(jī)訪問(wèn)雙口RAM映射在外部RAM地址空間來(lái)實(shí)現(xiàn),。。為了避免兩個(gè)CPU訪問(wèn)雙口RAM耗費(fèi)過(guò)多的等待時(shí)間,，可以通過(guò)合理的通信協(xié)議來(lái)減少某一CPU對(duì)雙口RAM的訪問(wèn)次數(shù),。為此，只通過(guò)雙口RAM將51機(jī)接收到的鍵盤值及采樣值存放在雙口RAM中供DSP使用,，而DSP僅將最后計(jì)算結(jié)果送給雙口RAM供51機(jī)控制液晶顯示用,。
2.3 心電信號(hào)同步數(shù)據(jù)采集
    在儀器中采用了AD7888來(lái)完成心電信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7888是一個(gè)高速低功耗12 bit ADC,用2.7 V~5.25 V單電源工作,，最大轉(zhuǎn)換率125 KSPS,。AD7888的輸入采樣/保持電路在500 ns內(nèi)獲取一個(gè)信號(hào)，采取單端采樣方式,，它包含8個(gè)單端模擬輸入,，從AIN1~AIN8，模擬輸入電壓從0~VREF ,，由于心電信號(hào)中含有低于0的信號(hào)成份,，因此需要用電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)換由于MCS-51機(jī)的串行數(shù)據(jù)通信口是8位，而AD7888一次收發(fā)16位數(shù)據(jù),，無(wú)法直接與51機(jī)的串行數(shù)據(jù)通訊口相連接,因此用軟件實(shí)現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)通信,，由P1口的P1.2產(chǎn)生串行時(shí)鐘SCLK，P3.0作DOUT,，P3.1作DIN,，P1.1作AD7888的片選端CS。它的VREF由LM336提供+5 V電壓,。電路圖如圖2所示,。所以通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)使得心電信號(hào)輸入的動(dòng)態(tài)達(dá)到-5 V~+5 V的范圍,，滿足了心電信號(hào)前置放大器的要求,。

2.4 基于點(diǎn)陣式LCD人機(jī)接口的設(shè)計(jì)
    為了便于醫(yī)生操作和控制，該系統(tǒng)配置了液晶顯示器件,。依據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo),，為了顯示中英文和心電圖波形，屏幕點(diǎn)陣不可過(guò)少,，顯示面積必須足夠大,。并且，由于該系統(tǒng)屬于便攜式醫(yī)療儀器,，在設(shè)計(jì)時(shí)還須注意其功耗問(wèn)題,。為此,，采用了一種目前使用較多的大屏幕160X128點(diǎn)陣式液晶顯示模塊DMF-5001N。它采用T6963作為點(diǎn)陣液晶顯示控制器,，可以工作在字符或圖形方式下,，并具有中文顯示功能。
    在儀器的系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)方面,，對(duì)不同CPU的工作特點(diǎn)采用不同的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言[3],，以滿足該系統(tǒng)多功能的要求。由于AT89C55負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行管理,，選取單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言KEIL C51語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)管理程序,。為了保證DSP程序的高效、代碼短,采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)DSP程序,。由于新技術(shù)的綜合運(yùn)用,，保證了設(shè)計(jì)的12導(dǎo)聯(lián)數(shù)字心電圖機(jī)的技術(shù)的先進(jìn)性、可靠性和安全性,，達(dá)到了同類機(jī)型的技術(shù)水平[7],。特別是，熱敏打印機(jī)的采用,，配合心電曲線和漢字混合打印技術(shù),，使打印出來(lái)的心電圖清晰，運(yùn)行噪聲低,。中文的心電輔助診斷報(bào)告便于醫(yī)生觀察和診斷,，很適合國(guó)內(nèi)醫(yī)療器械市場(chǎng)的需求。
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