美國德州儀器公司（TI）的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(yīng)用,。討論了該DSP系列中的TMS320F206的心電監(jiān)護模塊中的應(yīng)用,，包括硬件接口和軟件編程。
心臟在機械收縮之前,，心肌預(yù)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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字程序空間中前32K字可映射到F206片內(nèi)集成的內(nèi)爍存儲器（FLASH MEMORY）中,，這樣可以內(nèi)具有4級流水線結(jié)構(gòu)，其指令集專門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(shù)據(jù),；支持基2的FFT位倒序檢查尋址,。
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,，采樣頻率必須低于200Hz,。考慮到一定的工作裕量,，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(yīng)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位逐次副近型并行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ADS664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中支,，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)計了個有源帶濾波器,，其中心頻率f0=12.687Hz,，帶寬B=fo/Q= 5.629Hz，下限截止頻率f1=10.3565Hz,；上限截止頻率f2=15.9655Hz,。標準心電信號通過該通濾波器前后的波形如圖3所示,。可以看出,，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(yù)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2FFT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1024個心電信號真,，一次運算后,，F(xiàn)IFO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異常信號均能準確地測出心率,。
4 模塊高度過程
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(yīng)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,，確何數(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(wù)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和外圍芯片接口邏輯目前是用小模塊集成電路實現(xiàn),，今后可改用PLD或FPGA進行編程實現(xiàn)接口邏輯，減少芯片的數(shù)據(jù),，提高系統(tǒng)的可靠性,。