DSP在心電監(jiān)護模塊設(shè)計中的應(yīng)用

　　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(zhǔn)確率不高。通過觀察患者的心電圖，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?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)集成的閃爍存儲器(FLASH MEMORY)中，這樣可以通過仿真器對F206進行在線的編程和擦寫。F206片內(nèi)具有4級流水線結(jié)構(gòu)，其指令集專門對信號處理中常用的乘－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位倒序檢索尋址。

　　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(yuǎn)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(zhǔn)。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，采樣頻率必須不低于200Hz?？紤]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位逐次逼近型并行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ADS774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。