用SP061A實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的FFT與壓縮

摘　要：在SP061A 單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)ECG信號(hào)的FFT、濾波和壓縮。合理組織SP061A的硬件資源,并采取數(shù)據(jù)分段長度可選、避開高頻分量的計(jì)算和簡易的數(shù)據(jù)壓縮算法,使存儲(chǔ)開銷、運(yùn)算速度和精度滿足實(shí)用要求。
 
關(guān)鍵詞：ECG數(shù)據(jù) SP061A FFT 濾波 壓縮 

在遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中,心電信號(hào)采集器是實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的現(xiàn)場采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)闹匾K端設(shè)備。對(duì)采集器的基本要求之一是:及時(shí)對(duì)采集到的心電信號(hào)進(jìn)行濾波和壓縮等預(yù)處理,以減少存儲(chǔ)器占用量和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)筋^端服務(wù)器的開銷。為降低成本,這些任務(wù)一般采用單片機(jī)完成。然而,限于單片機(jī)的資源、運(yùn)算能力和運(yùn)行速度,許多壓縮算法,如周期壓縮法、小波變換壓縮法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等無法使用,一些缺乏快速算法的頻域變換法也很難達(dá)到實(shí)用的程度[3]。高性價(jià)比的心電信號(hào)采集器的研制一直是一個(gè)熱點(diǎn)問題。
 
通過研究FFT(快速傅立葉變換)的算法結(jié)構(gòu)和心電信號(hào)的特點(diǎn)發(fā)現(xiàn),采用分段FFT,保留分析心電波形需要的諧波成分,巧妙地組織單片機(jī)的片內(nèi)RAM資源,可使數(shù)據(jù)運(yùn)算量和RAM開銷大大減少,能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波和壓縮,且能達(dá)到實(shí)時(shí)采集與處理所需的運(yùn)算速度。 

SP061A 是凌陽科技公司研制的一款16位超低功耗單片機(jī)[1],片內(nèi)有2K字RAM、10位A/D轉(zhuǎn)換器,CPU時(shí)鐘高達(dá)49.152MHz,且價(jià)格低廉,還特別具有一套精簡、高效的指令系統(tǒng)和類似于DSP的硬件內(nèi)積運(yùn)算功能。這些特點(diǎn)很適合心電信號(hào)的采集和處理。圖1是作者研發(fā)的心電信號(hào)采集器中有關(guān)硬件的組成框圖:多路ECG模擬信號(hào)送SP061A進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送NVRAM DS1265W暫存;待采集完成后,由SP061A進(jìn)行FFT和濾波、壓縮;壓縮結(jié)果送回DS1265W,再適時(shí)通過電話線或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)護(hù)中心處理、診斷。

 

圖1 硬件組成框圖 

本文僅討論用SP061A實(shí)現(xiàn)FFT[2]、低通濾波與壓縮。設(shè)對(duì)心電信號(hào)的采樣率為500次/秒,數(shù)據(jù)精度為10位。 

1 數(shù)據(jù)分段算法 

設(shè)采集到的原始數(shù)據(jù)存于片外RAM中,將這些數(shù)據(jù)分為若干段,逐段讀入片內(nèi)進(jìn)行FFT。各段的變換結(jié)果及時(shí)送回片外RAM中保存。
 
按照FFT的要求,段中包含的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)必須為2N,N為FFT變換的層數(shù)?？紤]到SP061A片內(nèi)RAM為2K字,此處取N=9或N=10,即段中數(shù)據(jù)為512或1024,以保證RAM夠用。顯然,段頭和段尾的數(shù)據(jù)大小相等時(shí),以該段作為一個(gè)周期而無限重復(fù)的波形將無跳躍點(diǎn)。經(jīng)過“FFT變換到頻域”→“丟棄高頻成分”→“IFFT(快速傅立葉反變換,在頭端PC上進(jìn)行)”一系列操作而重建的時(shí)域波形,段與段之間的結(jié)合點(diǎn)將是連續(xù)的。但實(shí)際上,按上述分段幾乎不能做到段頭和段尾的數(shù)據(jù)大小相等。取兩種段長的目的就是提供兩種可能的選擇——選擇首尾數(shù)據(jù)之差較小的段作FFT。盡管如此,段首尾數(shù)據(jù)之差仍存在,經(jīng)處理、復(fù)原后的波形在段的結(jié)合部位仍將有間斷點(diǎn)。而采用加窗、延拓等辦法在單片機(jī)上又難以實(shí)現(xiàn)。解決問題的策略為:分段時(shí),各段間的數(shù)據(jù)首、尾各覆蓋10個(gè)數(shù)據(jù)。頭端PC在完成重建后,應(yīng)將首、尾各5個(gè)數(shù)據(jù)丟棄。 

2 時(shí)域數(shù)據(jù)的整序與加載
 
分段后,將該段加載到SP061A的RAM中,以實(shí)施FFT。原始數(shù)據(jù)以采集的時(shí)間先后順序存放,加載時(shí)則應(yīng)“整序”,即改變數(shù)據(jù)的先后順序,以保證變換后的頻域數(shù)據(jù)為正序。 

設(shè)RS為指向片外RAM的、待加載的段內(nèi)數(shù)據(jù)的偏移地址,RS=0…2N-1;Rd為指向片內(nèi)RAM的、待寫入數(shù)據(jù)的偏移地址,如圖2。將RS按N位二進(jìn)制逐位高低互換就得到Rd。例如,當(dāng)N=9時(shí),若RS為011001011B,則Rd為110100110B。為加快計(jì)算速度,將N=9時(shí)Rd的值制表存于FLASH ROM,供整序時(shí)查詢。當(dāng)N=10時(shí),取RS的B0～B9位查表獲得Rd,再將RS的B10位傳送到Rd的B15位,最后將Rd循環(huán)左移1位。

 

圖2 整序與數(shù)據(jù)加載操作 

FFT變換是復(fù)數(shù)運(yùn)算。在將原始數(shù)據(jù)加載到片內(nèi)RAM的同時(shí),應(yīng)把實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù),即令虛部為0。于是,一個(gè)原始數(shù)據(jù)加載到RAM中要占用2個(gè)字。復(fù)數(shù)的存儲(chǔ)格式為:實(shí)部字存于低地址,虛部字存于相鄰的高地址?，F(xiàn)在考察RAM需要量。N=9時(shí),段長為512個(gè)數(shù)據(jù),加載到RAM中要占用 512