基于DSP的心電監(jiān)護(hù)模塊設(shè)計方案

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(hù)模塊的功能就是實時地記錄下病人的心電波形，并進(jìn)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(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(hù)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(jìn)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(jìn)行一次轉(zhuǎn)換。啟動后ADS774的STATUS引腳變?yōu)楦唠娖剑D(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(jìn)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(jìn)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。

R波的精確定位是心電監(jiān)護(hù)模塊的一個重要功能，它關(guān)系到后面進(jìn)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(jìn)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(jìn)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)計了一個有源帶通濾波器，其中心頻率f0=12.867Hz，帶寬B=f0/Q=5.629Hz，下限截止頻率f1=10.3565Hz；上限截止頻率f2=15.9855Hz。標(biāo)準(zhǔn)心電信號通過該帶通濾波器前后的波形如圖3所示?？梢钥闯觯l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(hù)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設(shè)的初始化設(shè)置；②定時采樣模塊，進(jìn)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2 FFT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(jìn)行準(zhǔn)確定位。算法流程如圖4所示。其中F I 為數(shù)據(jù)RAM中最新的1024個心電信號值，一次運算后， FIFO即被刷新，準(zhǔn)備進(jìn)行下次運算。 圖5顯示了R波的定位結(jié)果，X標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)心電信號作為測試信號，發(fā)現(xiàn)它對正常信號和大部分異常信號均能準(zhǔn)確地測出心率。

4 模塊調(diào)試過程

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(jìn)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)的子程序，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(jìn)行，確保數(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?biāo)代碼通過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(dá)到設(shè)計任務(wù)書規(guī)定的要求，但還具有進(jìn)一步擴展的潛力。軟件方面，由于采用模塊化設(shè)計，可以方便地增加新的功能模塊，如自相關(guān)處理等；在硬件方面，TMS320F206和外圍芯片的接口邏輯目前是用小規(guī)模集成電路實現(xiàn)，今后可改用PLD或FPGA芯片編程實現(xiàn)接口邏輯，減少芯片的數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性。