DSP在心電監(jiān)護(hù)模塊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

心臟在機(jī)械收縮之前，心肌預(yù)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)著的電位差按時(shí)間順序描記出來(lái)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(zhǔn)確率不高。通過(guò)觀察患者的心電圖，其診斷準(zhǔn)確率幾乎可以達(dá)到100％。心電監(jiān)護(hù)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(yīng)的結(jié)論。

隨著數(shù)字信號(hào)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(hào)處理器的功能越來(lái)越強(qiáng)大，價(jià)格越來(lái)越低，越來(lái)越多地被應(yīng)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(jiān)護(hù)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(hù)模塊是一個(gè)以美國(guó)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(gè)系統(tǒng)安裝在一塊4層的PCB板上，通過(guò)9針RS-232電纜和PC機(jī)進(jìn)行通訊，其原理框圖如圖1所示。其中所有的輸入信號(hào)包括ECG1、ECG2(兩路心電信號(hào))、TEMPI(體溫信號(hào))、RESP(呼吸信號(hào))、LEADOFF(導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè))、PACE(起博器檢測(cè))等均來(lái)自心電信號(hào)前期模擬處理模塊。

1 TMS320F206簡(jiǎn)介

TMS320F206(以下簡(jiǎn)稱F206)是TI公司于1996年推出的一種性價(jià)比很高的16位定點(diǎn)DSP芯片，運(yùn)算速度為40MIPS。F206體系采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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?jǐn)?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(chǔ)器(FLASH MEMORY)中，這樣可以通過(guò)仿真器對(duì)F206進(jìn)行在線的編程和擦寫。F206片內(nèi)具有4級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，其指令集專門對(duì)信號(hào)處理中常用的乘－加運(yùn)算作了優(yōu)化，支持單周期的乘法/累加指令；支持存儲(chǔ)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(yùn)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(shí)器；②用于程序、數(shù)據(jù)、I/O存儲(chǔ)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(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(jī)通信。

2 硬件組成

該心電監(jiān)護(hù)模塊共有4路輸入：兩路心電信號(hào)ECG1和ECG2、一路體溫信號(hào)TEMPI、一路呼吸信號(hào)RESP，采用分時(shí)采樣的工作方式。由于呼吸信號(hào)和體溫信號(hào)的頻率遠(yuǎn)小于心電信號(hào)的頻率，在確定采樣率時(shí)就以心電信號(hào)為基準(zhǔn)。經(jīng)驗(yàn)表明，在做常規(guī)心電圖時(shí)，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(gè)工作通道的采樣率取250Hz，這樣對(duì)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關(guān)CD4051來(lái)實(shí)現(xiàn)，將C、B、A控制端連接到TMS320F206的三根地址線上，通過(guò)I/O指令打開相應(yīng)的模擬通道，進(jìn)行信號(hào)的采樣。

信號(hào)的采樣和量化工作由一片ADS774完成。ADS774是美國(guó)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(shí)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(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(zhuǎn)換。啟動(dòng)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(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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

由于TMS320F206片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間有限，為保存大量的采樣數(shù)據(jù)和運(yùn)算的中間結(jié)果，需增加外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；同時(shí)為了在調(diào)試程序時(shí)能夠設(shè)置斷點(diǎn)和進(jìn)行單步操作，也需要增加外部程序存儲(chǔ)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(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，分別用F206的PS和DS信號(hào)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(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(gè)等待狀態(tài)，從而滿足存儲(chǔ)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(xiàn)心電模塊和PC機(jī)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(shí)只需加幾個(gè)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(guò)程中受到干擾，在輸入輸出端都加上光電耦合器。