基于TMS320LF2407A DSP的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)健康的重視程度日益增加，但是伴隨著生活水平的提高心血管疾病的發(fā)病率不斷攀升。特別是近年來(lái)隨著社會(huì)老齡化的加劇，心血管疾病成了威脅人類生命的主要疾病，心臟病成了世界上死亡率最高的疾病。鑒于心血管疾病患者日益增多的嚴(yán)峻形勢(shì)，提高預(yù)防和監(jiān)測(cè)該疾病的手段勢(shì)在必行。而心電信號(hào)檢測(cè)是發(fā)現(xiàn)心臟病的最直接手段，但目前醫(yī)院用的心電監(jiān)護(hù)儀幾乎全部是進(jìn)口的，價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，加重了醫(yī)院和患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)；因此設(shè)計(jì)一種便攜、經(jīng)濟(jì)的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于TI公司TMS320LF2407A DSP的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，此系統(tǒng)體積小、成本低、實(shí)用性強(qiáng)。

TMS320LF2407A DSP介紹

心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)很重要的一部分就是對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行處理，因此選一款合適的信號(hào)處理器十分重要。當(dāng)前最成功的DSP芯片當(dāng)數(shù)美國(guó)TI公司的系列產(chǎn)品，其主推的三大DSP平臺(tái)TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000已經(jīng)成為當(dāng)今世界上最有影響力的DSP芯片。

本系統(tǒng)采用TMS320LF2407A為信號(hào)處理器和核心控制器。TMS320LF2407A是TI公司推出的新型高性能16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，是TMS320C2000系列的新成員。它專門為數(shù)字控制設(shè)計(jì)，集DSP的高速信號(hào)處理能力及適用于控制的優(yōu)化外圍電路于一體，是真正的單芯片控制器，在數(shù)字控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

TMS320LF2407A DSP具備以下一些特點(diǎn)：

(1)采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，降低了控制器的功耗; 40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。

(2)基于TMS320C2xx DSP的CPU內(nèi)核，保證了TMS320LF2407A DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。

(3)片內(nèi)有高達(dá)32KB的FLASH程序存儲(chǔ)器，高達(dá)1.5KB的數(shù)據(jù)/程序RAM ，544字雙口RAM(DARAM)和2KB的單口RAM(SARAM) 。

(4)兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括兩個(gè)16位通用定時(shí)器和8個(gè)16位的脈寬調(diào)制((PWM)通道。

(5)可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共192K字空間：64K字程序存儲(chǔ)器空間，4K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間和64K字I/0尋址空間。

(6)看門狗定時(shí)器模塊(WDT)。

(7) 10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。

(8)控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0B模塊。

(9)串行通信接口(SCI)模塊。

(10) 16位串行外設(shè)(SPI)接口模塊。

(11)基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。

(12)高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(GPIO)。

(13)5個(gè)外部中斷(兩個(gè)電極驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷)。

(14)電源管理包括3種低功耗模式，能獨(dú)立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式。

(15)具有加密功能，密鑰長(zhǎng)度64位。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)可分為心電信號(hào)采集部分和信號(hào)處理部分。信號(hào)處理部分以TMS320LF2407A為處理器，擴(kuò)展了外部存儲(chǔ)器、液晶顯示、按鍵和串行通訊接口等。

圖1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖(略)

電源是系統(tǒng)工作的首要條件，本系統(tǒng)采用5V和3.3V兩種電壓，系統(tǒng)輸入電源電壓為5V直流，因此需要轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)采用AMS1117-3.3進(jìn)行5V~3.3V電壓轉(zhuǎn)換，發(fā)光二極管D3為電源指示燈。電源的電路如圖2所示：

圖2 電源電路(略)

心電圖（ECG）采集電路通過(guò)傳感器采集心電信號(hào)然后把采集的模擬信號(hào)送到TMS320LF2407A內(nèi)部集成的10位A/D輸入端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采用由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)一個(gè)16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器的方式來(lái)提高轉(zhuǎn)換精度以精確采集微弱的心電信號(hào)。

TMS320LF2407A內(nèi)部集成了1.5K RAM和32K FLASH，32K FLASH容量已基本夠用，而內(nèi)部的RAM存儲(chǔ)空間太小，為保存大量的采樣數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間結(jié)果和提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，系統(tǒng)增加了外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）和外部程序存儲(chǔ)器（RAM），分別用TMS320LF2407A的PS和DS信號(hào)進(jìn)行片選。本系統(tǒng)采用的RAM存儲(chǔ)器是兩片IS61LV6416-10T，它的存儲(chǔ)容量為64K 16位。數(shù)據(jù)存取時(shí)間為10ns，能滿足高速運(yùn)行的需要，工作電壓為3.3V，與DSP工作電壓一致，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換電路。

液晶顯示模塊用來(lái)顯示心電圖，使用戶在沒(méi)有PC機(jī)的情況下也可以直觀地觀察到心電圖。心電圖也可以通過(guò)串口和PC機(jī)相連由PC機(jī)顯示。在不用來(lái)顯示心電圖時(shí)，液晶可以顯示系統(tǒng)狀態(tài)和其他信息。此液晶模塊內(nèi)含SED1335控制器，分辨率為128 128，該模塊特點(diǎn)是功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，模塊上集成了液晶顯示控制器、驅(qū)動(dòng)器、RAM,ROM和LCD顯示器，使用時(shí)只需向模塊送入相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)即可顯示所需信息。與DSP接口簡(jiǎn)單，使用方便靈活。 TMS320LF2407A是3.3V供電，液晶模塊是5V電源供電，所以它們之間要通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路連接，本系統(tǒng)采用SN74LV16345A來(lái)實(shí)現(xiàn)電平匹配。TMS320LF2407A與液晶模塊的接口如圖3 所示。

圖3 TMS320LF2407A與液晶模塊的連接(略)

TMS320LF2407A集成了一個(gè)全雙工異步串口，可以實(shí)現(xiàn)心電模塊和PC機(jī)或者其他設(shè)備的通信。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MAX232，它采用+5V單電源供電，電路簡(jiǎn)單，使用方便。

為了方便設(shè)置，系統(tǒng)還增加了按鍵模塊，用戶可以通過(guò)按鍵來(lái)控制系統(tǒng)的一些功能，如啟動(dòng)和停止等。

軟件設(shè)計(jì)

了解和分析心電的特征是研究心電信號(hào)檢測(cè)的基礎(chǔ)，針對(duì)心電在不同頻段的特征，設(shè)計(jì)相應(yīng)頻段的檢測(cè)算法，這是軟件設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。
心電圖是由一系列的波組所構(gòu)成，每個(gè)波組代表著每一個(gè)心動(dòng)周期。一個(gè)波組包括P波、QRS波群、T波及U波，研究表明心電主要的波段在QRS波，R波以及P波段。心率變異性（HVR）分析目前在臨床研究中受到了普遍的重視，是分析心電異常的主要方法。心率變異性分析的對(duì)象是心電波形的RR間期，系統(tǒng)在對(duì)數(shù)據(jù)采樣時(shí)，就對(duì)波形的R波進(jìn)行定位，找到R波位置，并計(jì)算出相鄰R波的間隔RR間期，然后存儲(chǔ)。系統(tǒng)軟件的任務(wù)就是把采集到的心電信號(hào)進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行心率變異性分析，計(jì)算出RR間期，最后把最終的心電圖顯示在液晶屏幕上。軟件的流程如圖4所示。

圖4 軟件流程圖(略)

所有程序調(diào)試結(jié)束后，用仿真器的FLASH燒寫(xiě)程序通過(guò)JTAG口將目標(biāo)代碼下載到TMS320LF2407A的FLASH中去，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行。

結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種以TMS320LF2407A DSP為信號(hào)處理器的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)把心電信號(hào)的采集、分析和顯示集成于一體,而且系統(tǒng)體積小、成本低、便于攜帶、實(shí)用性強(qiáng)。