基于DSP的心电监护模块设计.doc

1、基于 DSP的心电监护模块设计摘要：美国德州仪器公司（TI）的 TMS320C2XX系列定点数字信号处理器（DSP）具有强大的实时处理能 力和高度集成的片上硬件资源，使用灵活方便，在数字信号处理领域得到了广泛的应用。讨论了该 DSP系列中的 TMS320F206的心电监护模块中的应用， 包括硬件接口和软件编程。关键词：心电监护 ECG 数字信号处理器 AD 采样心脏在机械收缩之前，心肌预先发生电的激动，并向全身各部位放散，从而在体表的不同部位产生电位差。通过体表把这种变动着的电位差按时间顺序描记出来的连续曲线就是心电图（ECG）。心电图是诊断心律失常的最可靠的途径，其它临床检查虽然也可以诊断某

2、些心律失常，但是准确率不高。通过观察患者的心电图，其诊断准确率几乎可以达到 100%。心电监护模块的功能就是实时地记录下病人的心电波形，并进行自动分析和处理，同时给出相应的结论。随着数字信号处理技术和大规模集成电路工艺的发展，单片数字信号处理器的功能越来越强大，价格越来越低，越来越多地被应用到人们生产生活的各个领域。本文介绍一种基于 DSP芯片的心电监护模块的解决方案，讨论了它的硬件结构和软件组成。该心电监护模块是一个以美国德州仪器公司（TI）的 TMS320F206为核心的DSP数 据采集和处理模块。整个系统安装在一块 4层的 PCB板上，通过 9针RS-232电缆和 PC机进行通讯，其原理

3、框图如图 1所示。其中所有的输入信号包括 ECG1、ECG2（两路心电信号）、TEMPI（体温信号）、RESP（呼吸信号）、LEADOFF（导联脱落检测）、PACE（起博器检测）等均来自 心电信号前期模拟处理模块。1 TMS320F206简介TMS320F206（以下简称 F206）是 TI公司于 1996年推出的一种性价比很高的 16 位定点 DSP芯片，运算速度为 40MIPS。F206 体系采用改进的哈佛结构。将程序存储器和数据存储器的总线分开，以便最大限度地提高处理能力。其 可寻址空间为 224K字（64K 字程序空间，64K 字数据空间，64K 字 I/O空间，32K字全局空间），6

4、4K 字程序空间中前 32K字可映射到 F206 片内集成的内烁存储器（FLASH MEMORY）中，这样可以内具有 4级流水线结构，其指令集专门对信号算是中常用的乘-加运算作了优化，支持单周期的乘法/累加指令；支持存储器块搬移指 令，以便更好地管理程序和数据；支持基 2的 FFT位倒序检查寻址。除支持高速运算以外，F206 还具有众多的片上外设，主要包括：软件可编程定时器；用 于程序、数据、I/O 存储空间的软件可编程等待状态发生器，便于和低速器件接口；片内振荡器和锁相环（PLL），用于时钟选择1，2，4，2； 同步串口，便于和串行 CODEC接口；全双工的异步串口，便于和 PC机通信。2

5、硬件组成该心电监护模块共有 4路输入：两路心电信号 ECG1和 ECG2、一路体温信号 TEMPI、 一路呼吸信号 RESP，采用分时采样的工作方式。由于呼吸信号和体温信号的频率远小于心电信号的频率，在确定采样率时就以心电信号为基准。经验表明，在做 常规心电图时，要求系统的带宽为 100Hz左右，根据 Nyquist采样定理，采样频率必须低于 200Hz。考虑到一定的工作裕量，每个工作通道的采样率 取 250Hz，这样对 4个通道而言，总的工作频率为 1kHz。通道切换的工作由一片双向模拟开关 CD4051来实现，将 C、B、A 控制端连接到 TMS320F206的三根地址线上，通过 I/O指

6、令打开相应的模拟通道，进行信号的采样。信号的采样和量化工作由一片 ADS774完成。ADS774 是美国 Burr-Brown公司生产的 12位逐次副近型并行 A/D转换器，典型转换时间为 8.5s，并且有多种工作方式可供用户选择。在本心电模块中我们选用了直通（throughout）模式，仅用两根控制线 R/C和 STATUS与 TSM320F206接口，其工作原理和时序如图 2所示。TMS320F206通过指令在 XF引脚上产生一个宽度大于 25ns的低电平脉冲，启动 ADS664 进行一次转换。启动后 ADS774的 STATUS引脚变为高电平，转换结束后 ADS774数据线上的数据有效，

7、此时其 STATUS引脚跳变回 低电平，通过这个电平跳变触发 TMS320F206的 INT1外部中断，将 12位转换数据读入数据存储器。由于TMS320F206片内的数据存储空间有限，为 保存大量的采样数据和运算的中间结果，需增加外部数据存储器；同时为了在调试程序时能够设置断点和进行单步操作；也需要增加外部程序存储器。我们采用了 4 片日立公司的 8位 SRAM HM62256-10，两两组成 16位的程序存储器和数据存储器，分别用 F206的 PS和 DS信号进行片选。HM62256-10 的典型存取时间为 100ns，而TMS320F206的指令周期为50ns。为节省硬件等待电路的开中支

8、，利用了TMS320F206片内的可编程软件等待状态发生器产生 两个等待状态，从而满足存储器的操作时间要求。利用TMS320F206片上集成的全双工异步串口，可以实现心电模块和 PC机的通信。但是 RS232电平 和 TTL电平不兼容，我们使用了一片电平转换芯片 MAX202，它采用+5V 单电源供电，使用时只需加几个电容，便能完成两种电平的转换。为防止数据在传 输过程中受到干扰，在输入输出端都加上光电耦合器。R波的精确定位是心电监护模块的一个重要功能，它关系到后面进行心率计算及心律失常分析结 果的正确性。一个正常人完整的心电波形由 P、Q、R、S、T五个部分组成，其中 R波和 T波的幅值相对

9、较高。心率计算通常是根据心电波形中 R波的间距来推算 得到。但在少数异常波形中，T 波的幅值会超过 R波，如 果把 T波误判为 R波来进行心率计算，则会产生很大的误差。通过对大量的心电信号进行频谱分析，发现 R波通常位于 033Hz 的频率范围内，而 T波位于 09Hz 的频率范围内。为了在心率计算时消除 T波可能引起的干扰，我们设计了个有源带滤波器，其中心频率 f0=12.687Hz，带宽 B=fo/Q= 5.629Hz，下限截止频率 f1=10.3565Hz；上限截止频率 f2=15.9655Hz。标准心电信号通过该通滤波器前后的波形如图 3所示。可以 看出，频率相对较低的 T波有很大的衰

10、减而 R波基本保持不变。3 软件设计该心电监护模块的软件由两部分组成。一是运行在 TMS320F206片内 FLASH MEMORY中的系统监控程序，二是运行于 PC机端的图形界面用户程序。前者对实时性的要求较高，为提高运行效率，采用 TMS320C2XX汇编语言编 写，经汇编、链接后在外部程序RAM中调试，调试成功后烧写到 TMS320F206的 FLASH中。它主要由如下几个功能模块组成：系统初始化模块。完 成 RAM、ADS774、中断以及定时器等外初始化设置；定时采样模块，进行四路信号的分时采集，经预处理后存入数据RAM；心率、呼吸率计算和体温 插值运算模块；512 点心电信号的基 2

11、FFT运算模块；异步串行通信模块，实现与 PC机之间的通信协议。下面简要介绍一下心率计算模块的算法。设 dR-R是相邻两个 R波的间距（即两个 R波之间有 dR-R 个采样点），由于心电通道的采样率为 250Hz，所以250dR-R即为一秒钟内 R波的个数，60250dR-R 即为一分钟内的心跳次数。因此关键在于对 R波进行准确定位。算法流程如图 4所示。其中 FI为数据RAM中最新 1024个心电信号真，一次运算后，FIFO 即被刷新，准备进行下 次运算。图 5显示了 R波的定位结果，“X”标识出查找到的 R波最高点。为了验证这个算法的正确性，我们以 BIO-TECH心电信号仿真器产生的标准

12、心电信号作为测试信号，发现它对正常信号和大部异常信号均能准确地测出心率。4 模块高度过程整个心电模块的调试过程分三个阶段：硬件调试，确保 DSP板上的各器件均正常工作，这是 进行软件调试的基础；TMS320F206 端软件调试，采用模块化方法，对各个功能编写相应子程序，分别调通各个功能模块，然后把这些模块通过接口组装 起来，实现整个系统的功能；图形用户界面 GUI软件调试，与 TMS320F206的通讯模块调试同时进行，确何数据的正确收发，并在此基础上逐步增加新 的功能。调试结束后，用仿真器的 FLASH烧写程序将目标代码通过 JTAG口下载到TMS320F206中去，实现整个系统的脱机运行。本系统已经达到设计任务书规定的要求，但还具有进一步扩展的潜力。软件方面，由于采用模块 化设计，可以方便增加新的功能模块，如自相关处理等；在硬件方面，TMS320F206 和外围芯片接口逻辑目前是用小模块集成电路实现，今后可改用 PLD 或 FPGA进行编程实现接口逻辑，减少芯片的数据，提高系统的可靠性。