基于DSP数字心电图机的设计

基于DSP数字心电图机的设计

摘 要： 介绍12导联数字心电图机研制开发，采用双CPU架构，包括数字信号处理TMS320F206和微控制器AT89C55。该仪器利用数字信号处理器TMS320F206PZ实现实时对心电信号进行滤波和心电参数计算;热敏打印心电图形和检测结果;存储病人的心电数据，心电图形的回放打印，与PC机进行数据通主，建立病人的心电数据库，进一步研究分析。关键词： 心电图； 数字信号处理器； 数据采集； 热敏打印
数字心电图机除了具备常规心电图机[1]的优点外，还具有自身不可替代的优势。虽然ECG(Electro Cardio Graph)信号可直观地反映人体心脏的工作状况，但由于心电信号本身就很微弱(一般只有mV级)，而在测量时外部干扰(如工频干扰、肌电噪声、呼吸干扰、基线漂移等)严重，所以在采集时具有较大的难度。心电图机记录ECG的方式从技术上可分为两大类：单通道分步记录式和多通道同步记录式。由于受技术条件的限制,以前的心电图机基本属于前者。趋势是由模拟式单通道记录逐渐向数字式12导联同步记录ECG信号发展。开发的数字心电图机技术要求如下： (1)具有自动分析功能时，可以对心率等参数进行计算，自动报告心律失常类别。 (2)数字心电图机的抗干扰能力强，对各种干扰采用数字滤波的方法,大大优于模拟心电图机的性能指标。 (3)准确度高,实时性好。数字化心电图机采用高速、高精度A/D采集心电数据，将模拟量转换为数字量。 (4)自动测试分析功能。由于数字化心电图机带有自动分析系统，故其可以具备自动测量和心电图解释功能，可实时提供心率、R-R间期、S-T段等参考数据以辅助诊断。 (5)心电信息的再现和保存。由于在数字化心电图机中，心电信号经数模转化后成为数字量存放于非易失性存储器中，可随时提取回放，或通过标准接口RS233传送到计算机系统，有利于医务人员对患者进行进一步诊断和心电信息交流。 (6)友好人机接口界面。操作者可方便地选择各种采集、滤波、打印方式，并可通过液晶显示屏（LCD）显示系统的工作状态，以便随时改变方式或工作状态，获得最佳数据。为了实现上述目标必须对心电图的记录、分析理论和技术进行多方面的研究，重点突破在低成本和低功耗的条件下,实现和满足上述要求的硬件和软件。2 基于DSP与单片机技术的硬件架构设计 TMS320F206（以下简称F206）是美国TI公司推出的一种性能价格比较高的定点DSP芯片[2]，全部采用静态CMOS集成工艺制作而成。它以TMS320C2XX为基础，但功耗更低。32 KB闪烁存储器内嵌于DSP中，减小了系统体积，提高了系统稳定性，而且毋需专门的编程

器(XDS510仿真器即具有编程功能)，从而减少了开发成本。在本系统中，F206负责数据处理及存储打印等高速实时任务。经实践表明，采用了该设计后充分发挥了F206速度快、精度高的特点，使系统能够达到多通道实时高速同步采样、处理及精度的指标要求。作为整机构成的基础，系统的硬件设计直接影响到整机的性能与价格。为了缩小整机体积并降低功耗，必须在满足系统性能要求的情况下尽可能减少硬件开销。2.1 系统硬件设计 为了实现上述功能，将整个心电图机的主体硬件系统分为三块电路板，即放大电路板、电源板和系统板。这样既有利于缩小系统的体积,方便以后的技术升级，同时还使得以后的生产装配更为简便。由于采用了多层印刷电路板和表面贴片封装的集成芯片，使得走线缩短，整机体积减小，从而提高了整机的可靠性。在传统的数字心电图机中[4]，一般采取8051、80C196等普通单片机作为核心部件[2]，由于普通单片机采用的是冯·诺依曼结构，即程序指令和数据共用一个存储空间，指令周期较长，多为微秒级，在实际应用中限制了采样频率及算法的实时性，一般只能对心电信号进行200 Hz或500 Hz采样，且较难做到实时处理。而数字信号处理器(DSP)放弃了冯·诺依曼结构，采用哈佛结构，即将程序指令与数据的存储空间分开，各有自己的地址与数据总线。这就使得处理指令和数据可以同时进行，从而大大提高了处理速度，指令周期多为纳秒级且绝大部分为单周期指令，满足实时信号处理的要求。在具有强大运算能力的同时，DSP处理器在控制处理方面却不如普通单片机，如I/O口线较少，与慢速液晶显示器难以实现“无缝”连接等，而51单片机能弥补这一缺陷。因此，DSP处理器与普通单片机结合，就能各取所长以获得较高的性价比。系统硬件结构框图。 在图1中，8路放大器分别对I、II、V1、V2、V3、V4、V5、V6 8个导联精确放大1 000倍，而III、aVR、aVL、aVF 4个导联的值可由I、II线性求出： III=II-I， aVR=(-I-II)/2,， aVL=(I-III)/2， aVF=(II+III)/2。根据美国心脏联合会公布的标准，ECG信号频率范围为0.05 Hz~100 Hz (3 dB)，由香农取样定理可知，对心电信号的采样频率须至少为200 Hz。但为了获得心电信号更细节的信息，并提高分析精度，以1 000 Hz的高采样率进行采样[6]。这一工作由51单片机完成，当每路信号均采样一点完毕即通过P3.4向DSP发出中断信号INT1，DSP便可进行滤波，打印等工作。双端口RAM用于51单片机与DSP处理器的并行通信。通过2片CPU将采样与处理并行进行，这样可大大提高采样速度及处理能力。MAX232接口电路可用于DSP与PC机串行

通信。AT89C55内部具有24 KB的EEPROM程序空间，TMS320F206片内也有32 KB的闪烁存储器供程序存储用[Y8]。但为了在系统研制阶段对DSP系统方便地进行程序调试,还扩展了两片32 K×8 BITS的高速静态RAM(CY7C199)。为了进行仿真及闪烁存储器的编程工作，JTAG接口电路也是必须的。


2.2 TMS320F206与AT89C55的高速数据通信 在双CPU系统中，为了充分利用双CPU资源，将51单片机强大的控制功能与DSP处理器的快速处理功能有效结合，双CPU之间的通信与协调显得极其重要。而数据通信无非是两种：串行通信及并行通信。若采用前者，首先是通信速度上受到波特率的限制，而且占用较多的CPU资源,另外,DSP的异步串行口须用于与PC机间的通信，而同步串行口则用于与热敏打印机接口。为此，采用并行通信的方式：利用2 KB的双端口RAM IDT7132来实现双CPU之间的并行通信。IDT7132是目前被广泛采用的一种并行通信器件，速度快、功耗低，尤其适用于双CPU之间的通信。在对双端口的设计中，主要是解决访问仲裁问题。在双端口RAM内部有一个访问仲裁器用以协调两边的访问请求。为此，在电路设计中必须将相关的引脚相连，同时与软件相配合以保证两边的读写时序正确。双CPU都必须对双端口RAM单边正确寻址访问，否则将引起数据混乱或丢失。由于双端口RAM在两个CPU系统中的译码条件不一样，所占的存储空间也不一样：在89C55系统中将地址线A13与右端片选端CER相连,则占用的数据空间可分配为C000h—C7ffh，在F206系统中通过GAL16V8进行译码，占用了数据空间的7800h—78ffh。双端口RAM相当于两片普通RAM加上一个连接两边的访问请求仲裁器，因此其访问条件不同于普通RAM：当某一CPU准备访问双口RAM中的某一单元前,须先判断另一CPU是否正读写双口RAM，若正在读写,则该CPU只能等待另一CPU访问结束。如若DSP写双口RAM的某一单元可通过指令实现，而51机访问双口RAM可通过I/O口读写指令实现。而单片机访问双口RAM映射在外部RAM地址空间来实现。。为了避免两个CPU访问双口RAM耗费过多的等待时间，可以通过合理的通信协议来减少某一CPU对双口RAM的访问次数。为此，只通过双口RAM将51机接收到的键盘值及采样值存放在双口RAM中供DSP使用，而DSP仅将最后计算结果送给双口RAM供51机控制液晶显示用。2.3 心电信号同步数据采集 在仪器中采用了AD7888来完成心电信号的模数转换。AD7888是一个高速低功耗12 bit ADC,用2.7 V~5.25 V单电源工作，最大转换率125 KSPS。AD7888的输入采样/保持电路在500 ns内获取一个信号，采取单端采样方式，它包含8个单端模拟输入，从AIN1~AIN8，模拟输入电压从0~VREF ，由于心电信号中含有

低于0的信号成份，因此需要用电阻网络进行转换由于MCS-51机的串行数据通信口是8位，而AD7888一次收发16位数据，无法直接与51机的串行数据通讯口相连接,因此用软件实现它们之间的数据通信，由P1口的P1.2产生串行时钟SCLK，P3.0作DOUT，P3.1作DIN，P1.1作AD7888的片选端CS。它的VREF由LM336提供+5 V电压。电路图。所以通过电阻网络使得心电信号输入的动态达到-5 V~+5 V的范围，满足了心电信号前置放大器的要求。

2.4 基于点阵式LCD人机接口的设计 为了便于医生操作和控制，该系统配置了液晶显示器件。依据本系统设计的总体目标，为了显示中英文和心电图波形，屏幕点阵不可过少，显示面积必须足够大。并且，由于该系统属于便携式医疗仪器，在设计时还须注意其功耗问题。为此，采用了一种目前使用较多的大屏幕160X128点阵式液晶显示模块DMF-5001N。它采用T6963作为点阵液晶显示控制器，可以工作在字符或图形方式下，并具有中文显示功能。 在仪器的系统软件开发方面，对不同CPU的工作特点采用不同的开发语言[3]，以满足该系统多功能的要求。由于AT89C55负责整个系统的运行管理，选取单片机高级语言KEIL C51语言来开发系统管理程序。为了保证DSP程序的高效、代码短,采用汇编语言编写DSP程序。由于新技术的综合运用，保证了设计的12导联数字心电图机的技术的先进性、可靠性和安全性，达到了同类机型的技术水平[7]。特别是，热敏打印机的采用，配合心电曲线和汉字混合打印技术，使打印出来的心电图清晰，运行噪声低。中文的心电辅助诊断报告便于医生观察和诊断，很适合国内医疗器械市场的需求。