基于DSP的心电信号采集BMCSP串口设计.doc

1、 本科毕业论文 基于 DSP 的心电信号采集 BMCSP 串口设计 姓 名 张磊 学 院 医疗器械与食品 学院 专 业 生物医学工程 指导教师 田福英 完成日期 2010 年 6 月 上海理工大学 全日制 本科 生 毕业设计（论文）承诺书 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） 基于 dsp 的心电信号采集 mcbsp 串口设计 是在导师的指导下 ， 严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。论文研究 过程中 不存在 抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。 如若 出现任何侵犯他人知识产权等问题，本人愿意承担相关法律责任。 承诺人（签名）：张磊 日

2、 期： 2010.6.2 基于 DSP 的便携式心电信号采集与处理系统 设计 mcbsp 设计 摘 要 心电信号是心脏电活动的在体表的综合表现，是一种典型的生物电信号，由于心电信号从不同方面和层次上反映了心 脏的工作状态，因此在心脏疾病的临床诊断和治疗过程中具有非常重要的参考价值。 心电信号可以通过置于体表的电极和一定的导联方式检测出来，心电信号的检测与分析是心脏疾病临床诊断中的关键环节。随着人民生活水平的提高，家庭保健意识的增强，心电检测仪器走进普通家庭是一种趋势。并且随着集成电路技术的发展，也为心电检测仪器的小型化和便携化提供了技术支持。制作便于家庭使用，简单易操作的心电检测仪这是本课题的

3、研究意义所在。 本课题完成了基于 DSP的心电信号采集和分析系统硬件和软件设计，前者负责心电信号的采集和预处理，而后者负责 心电信号的滤波和分析。 心电信号属于强噪声背景下的微弱信号，伴有各种噪声和干扰，为采集带来了一定的难度。本课题的心电数据采集系统的硬件电路是根据心电信号的特点而制定，包括信号调理电路和处理电路两个部分。心电数据调理电路包括前端放大和右腿驱动电路、带通滤波、主放大和电平抬高电路等，实现了心电信号的模拟采集。 软件系统在 DSP的集成软件开发环境 CCS下用 C语言来编程 . 便携式心电信号采集与处理系统的硬件可以利用实验室现有的 EVM5502DSP开发板来实现，通过编写各

4、部分所需的软件，实现心电采集与处理系统的各个功 能。该课题主要任务是应用 DSP的 I2C串口完成对 A/D模块（ AIC23 Code）的初始化编程。以 DSP的 DMA方式，应用多通道缓冲串口 (McBSP)实现心电数据采集和存储 . 本课题初步完成了预期的设想，通过修改好的电路板，使用电极片连接人体后，的在示波器上显示出信号， 但是并没有 成功的采集了心电信号。 关键词 ：心电数据采集和存储 I2C总线 DMA控制器 多通道缓冲串口(McBSP) Abstract ECG(electrocardiograph)signal is a synthetic reflection of the

5、 heart electricity activation on body surface， which is me typical example of bioelectrical signals Since ECG signal shows the work status of the heart form different parts， The ECG can provide evidence to support a diagnosis， and therefore management， of abnormal cardiac rhythms ECG signal can be d

6、etected by electrodes attached to the surface of the body through special lead ,which are joined to the ECG recorder by wires. ECG signal detection and analysis is a pivotal tache in the course of heart diseases clinic diagnosis, and it will directly affect the result of diagnosis and the purpose of

7、 therapy. With the great improvement of peopleslive, HHCE(Home Health Care Engineering)is a tendency at present time, so the detection of ECG signal that can be accomplished at home not only in hospital is imperative under the situation. Furthermore based on the support of integrate circuit technolo

8、gy, it is easier to get ECG signal defection and analysis instrument portable and pint-size. Convenience for family use and operating easily is the significance of the subject ECG signal detection and Analysis System based on Digital Signal Processor(DSP) include the hardware of signal acquisition a

9、nd related soft ware of control and analysis. The former collect the ECG signal and do some pretreatment and the latter controls the signal acquisition process and deal with the collected ECG signal. The ECG signal is the week signal in the strong noise made by kinds of noises and interferences that

10、 make the acquisition more difficult. The ECG Signal Detection and Analysis System is designed according to the specialty of the ECG signal, including two parts of hardware: signal detection circuit and analysis circuit. The signal detection circuit is composed of the front amplifier circuit, Driven

11、-Right-Leg Circuit, band pass filter, the main amplifier circuit and power-lift circuit etc. Which has completed the ECG signal acquisition and pre-process. The software system designed in C language under DSP 。 Portable ECG signal acquisition and processing hardware can take advantage of existing E

12、VM5502DSP laboratory development board to implement, through the preparation of the various parts of the software required to realize the ECG acquisition and processing system functional. The main task is the application of the subjects I2C serial interface on the DSP A / D module (AIC23 Code) the i

13、nitialization program. To DSPs DMA mode, Multi-channel buffered serial port (McBSP) to achieve ECG data acquisition and storage. The subject completed a preliminary idea of the expected， By modifying the circuit board， After using the electrode to connect the body, shown in the oscilloscope signal,

14、and then connect EVM5502DSP development board, the successful acquisition of the ECG. Key Words： ECG data acquisition and storage I2C Bus DMA controller McBSP目 录 中文摘要 ABSTRACT 第 1 章 绪 论 1 1.1 dsp 的 特点 及发展趋势 1 1.1.1 dsp特点 1 1.1.2 dsp 历史和 发展趋势 3 1.2 心电信号原理及 心电采集的原理和历史发展 5 1.2.1 人体心电信号产生机理 5 1.2.2 心电信号

15、采集和分析系统的发展史 5 1.2.3 基于 dsp技术的心电工作站系统 6 第 2 章 人体信号采集 硬件分析与检测 11 2.1 心电采集 电路 系统设计思路 整体框架 11 2.1.1 整体设计电路图指标分析 11 2.1.2 心电信号的干扰分析 11 2.1.3 整体设计电路图 12 2.2 电路对应分析 14 2.2.1 差分电路以及放大 电路 14 2.2.2 滤波电路 16 2.2.3 光敏器件及相应电路 17 2.2.4 右腿驱动电路 17 2.2.5 电源 电路 18 2.3 硬件电路调试结果与错误分析 19 第 3 章 DSP模块的信号采集系统设计与实现 22 3.1心电采

16、集的 dsp硬件结构框架 22 3.2 多通道缓冲串口 mcbsp 23 3.2.1 概述 23 3.2.2 采样率发生器 23 3.2.3 多通道选择 24 3.2.4 异常处理 24 3.3 dma 控制器 27 3.3.1 概述 27 3.3.2 通道和端口 27 3.3.3 hpi配置 27 3.3.4 dma传输配置 28 3.4 i2c总线 31 3.5 c55x aic23 的应用 33 3.6 软件程序分析与修改 34 参考文献 37 致谢 37 第 3 章 心电信号采集系统 dsp 分析与程序修改 26 3.1 心电采集 dsp 结构框图 .26 第 1 章 绪 论 1.1

17、dsp 的 特点 及发展趋势 数字化技术正在极大地改变着我们的生活和体验。作为数字化技术的基石，数字信号处理（ DSP）技术已经、正在、并且还将在其中扮演一个不可或缺的角色。 DSP 的核心是算法与实现，越来越多的人正在认识、熟悉和使用它。因此，理性地评价 DSP 器件的优缺点，及时了解 DSP 的现状以及发展趋势，正确使用DSP 芯片，才有可能真正发挥出 DSP 的作用。 数字化技术正 在极大地改变着我们的生活和体验。作为数字化技术的基石，数字信号处理（ DSP）技术已经、正在、并且还将在其中扮演一个不可或缺的角色。 DSP 的核心是算法与实现，越来越多的人正在认识、熟悉和使用它。因此，理性

18、地评价 DSP 器件的优缺点，及时了解 DSP 的现状以及发展趋势，正确使用DSP 芯片，才有可能真正发挥出 DSP 的作用。 1.1.1 dsp 特点 为适应快速数字信号处理运算的要求， DSP 芯片普遍采用了特殊的硬件和软件结构，以提高数字信号处理的运算速度，并且多数 DSP 运算操作可以在一个指令周期内完成。 DSP芯片的结构特 征主要是指： （ 1） 哈佛（ Harverd）结构及改进的哈佛结构 哈佛结构不同于冯诺依曼（ Von Neuman）结构的并行体系结构，其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问

19、。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。而冯诺曼结构则是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址。取指令和取数据都访问同一存储器，数据吞吐率 低。在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠运行。为了进一步提高运行速度和灵活性，TMS320 系列 DSP芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器（ Cache）中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令

20、，节约了一个指令周期的时间。 （ 2） 专用的硬件乘法器 在通用微处理器中，乘法是由软件实现的，实际上是由时钟控制的一连串移位运算。而在数字信号处理中，乘法和加法是最重要的运 算，提高乘法运算的速度就是提高 DSP的性能。在 DSP芯片中，有专门的硬件乘法器（ DM642 有两个乘法器，其他只有一个），使得一次或者两次乘法运算可以在一个单指令周期中完成。大大提高了运算速度。 （ 2） 指令系统的流水线结构 在流水线操作中，一个任务被分成若干子任务，这样，他们在执行时可以相重叠，与哈佛结构相关， DSP 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力，把指令周期减小到最小值，同

21、时也就增加了信号处理器的吞吐量。第一代 TMS320 处理器采用二级流水线，第二代采用三级流水线，而第三代则 采用四级流水线。也就是说，处理器可以并行处理 26条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。在三级流水线操作中，取指、译码和执行操作可以独立地处理，这可使指令执行能完全重叠。在每个指令周期内，三个不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的阶段。 （ 4） 片内外两级存储结构 在片内外两级存储器结构中，片内存储器虽然不可能具有很大的容量，但速度快，可以多个存储器块并行访问。片外存储器容量大，但速度慢，结合他们各自优势，实际应用中，一般将正在运行的指令和数据放在内存储器中，暂时不用的数据和程

22、序放在外部存储器中。片内 存储器的访问速度接近寄存器访问速度，因此 DSP 指令中，采用存储器访问指令取代寄存器访问指令，而且可以采用双操作数和三操作数来完成多个存储器同时访问，使指令系统更加优化。 （ 5） 特殊的 DSP 指令 DSP 的另一个特征就是采用特殊的 DSP 指令，不同系列的 DSP 都具备一些特殊的 DSP 操作指令，以充分发挥 DSP 算法和各系列特殊设计的功能。 （ 6） 快速指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的 DSP 指令再加上集成电路的优化设计，可使 DSP芯片的指令周期在 200ns 以下。 TMS320系列处理器的指令周期已 经从第一代的 2

23、00ns 降低至现在的 2ns 以下。快速的指令周期使得DSP 芯片能够实时实现许多 DSP应用。 1.1.2 dsp 历史和发展趋势 在经历整整二十年的市场拓展之后， DSP 所树立的高速处理器地位不仅不可动摇，而且业已成为数字信息时代的核心引擎。与此同时， DSP的市场正在蓬勃发展。根据 Forward Concepts 分析家的预测，今年全球 DSP 销量将达到 $82 亿美元，比去年增加约三分之一。而对于 2004 年和 2005 年的预测值，则分别是 $108亿元和 $140 亿元，并预言未来几年 DSP都将以每年超过 30%的速度成长。根据CCID 权威的分析，中国 DSP 市场今

24、年可达到 120亿元人民币，比去年增长约 40%，未来的增长将可能超过全球的平均速度。 对于 DSP 市场的高速增长，许多人充满着浓厚的兴趣。本文将结合 DSP 纵向的发展历程和横向的拓展方向进行探讨，以便探讨 DSP 市场拓展的特点。 （ 1） DSP 商品化历程 对于 TI 推出业界第一颗商用 DSP 的历史， TI 首席科学家 Gene Frantz 在一篇名为 DSP: 如何使 TI风险业务变成其最大的业务（ DSP: How TIs Risky Business became it BIGGEST business）的文章有极为精彩的分析。在这篇文章中他提到 DSP 最初还只是一项技

25、术的名称，既数字信号处理。这项技术在二十世纪六十年代从校园中兴起，到七十年代才由计算机实现部分实时处理，而多用于高尖端领域。 DSP 既与大量运算相关，每秒完成运算一百万次运算就变为一个新的单位 MIPS，而实现每个 MIPS 的成本高达 $10 到 $100 美元便成为商品化的障碍。 八十年代前后，陆续有公司设计出适合于 DSP 处理技术的处理器，于是 DSP开始成为一种高性能处理器的名称。 TI在 1982年发表一款 DSP处理器 名为TMS32010，其出色的性能和特性倍受业界的关注，当然新兴的 DSP 业务的确承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。当努力使 DSP处理器每

26、MIPS成本也降到了适合于商用的低于 $10 美元范围时， DSP不仅在在军事，而且在工业和商业应用中不断获得成功。 1991 年 TI 推出的 DSP 批量单价首次低于 $5 美元而可与 16 位 的微处理器相媲美，但所能提供的性能却是其 5至 10 倍。 进入九十年代，有多家公司跻身于 DSP 领域与 TI进行市场竞争。 TI首家提供可 定制 DSP，称作 cDSP。 cDSP 基于内核 DSP的设计可使 DSP具有更高的系统集成 度，大加速了产品的上市时间。同时 TI瞄准 DSP电子市场上成长速度最快的领域，适时地提供各种面向未来发展的解决方案。到九十年代中期，这种可编程的 DSP 器件

27、已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。德州仪器通过不断革新，推陈出新， DSP 业务也一跃成为 TI的最大的业务，并始终处于全球 DSP 市场的领导地位。虽然这个阶段 DSP每 MIPS的价格已降到 10 美分到 1美元的范围，但 DSP所带动的市场规模巨大。 新世纪的 DSP 市场竞争加剧， TI及时调整 DSP 发展战略全局规划，并以全面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化产业化进程。成就这一进展的前提就是 DSP每 MIPS价格目标已设定为几个美分或更低。 （ 2） DSP 产业化进程 D

28、SP 应用产品获得成功的一个标志就是进入产业化。在以往的二十年中，这一进程在不断重复进行，只是周期在不断缩小。在数字信息时代，更多的新技术和新产品需要快速地推上市场，因此， DSP 的产业化进程还是需要加速进行。 在 DSP 的早期发展阶段， TI通过大学计划、建立第三方发展计划 和 DSP 设计大奖赛进行 DSP 的教育和普及工作。同时通过加强与新兴产业领导者的合作，推出 DSP 解决方案，并实现产品化。在最近五年内， TI在软件和开发工具上投资十亿美金，建立了业界最为巨大的 DSP开发基础设施。目前全球有超过 650家公司加入到 TI的第三方伙伴网络，提供上千种 DSP算法和产品方案。 当

29、前虽然 DSP 无论是作为一种成熟的技术还是一种成熟的产品均已成为数字信息时代的主流，但是其市场化拓展还存在这巨大的空间。 DSP 的三大要素即性能、价格和功耗与其市场拓展息息相关。挑战更高的性能，尽可能降低价格和功耗，永 远是 DSP 追求的目标。 可以看出在各个时代， DSP性能随集成度的增加而提高，而价格却一直在下降。 DSP 突出的性能价格比趋势似乎也在很好地演绎着 Moore 定律。从不断扩大的目标应用来看， DSP在数字信息产品的市场地位越来越重要。 当今 DSP 之所以可以在嵌入式应用方面挑战微处理器 CPU，在数字控制方面可挑战单片机 MCU，还在于 DSP结构体系已实现多样性

30、。 DSP 既有追求高性能并行结构，也有追求低功耗的省点核心； DSP 中不仅可以集成闪存、数据转换器和多种接口，还可以集成 CPU 核心、视频和音频接口。 软件可编程 性始终是 DSP 市场拓展的关键。目前 DSP开发工作中的 80%以上已是软件工作。数字信息产品中需要应用到许许多多新的技术和标准，其中不少需要经过不断完善。 DSP首先可以构建一个强大灵活的硬件平台和软件基础，然后集成各种软件，其中可以包括标准算法、驱动、协议和应用等等。 DSP软件还易于维护和升级，大量工作可以在线实现。 DSP 的应用已经涵盖了工业、通信、娱乐、个人医疗、教育、环境控制、安全等领域，我们期待着更多更好的应

31、用。将来的人们对具有 DSP核心的数字信息产品大概会情有独衷，因为 DSP会创造更多的价值。 1.2 心电信号原理及 心电采集的原理及发展历史 1.2.1 人体心电信号的产生机理 心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之间无电位差是等电的。心脏在每个 心动周期 中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着 生物电 的变化，这些生物电的变化称为心电 。 1.2.2 心电信号采集和分析系统的发展史 心电检测技术作为生物医学仪器研究的重点，它的发展

32、与电子技术的发展密切相关。 1887年， Waller用毛细管静电计首次描记出人体心电图波群，开创了人类心电图记录的先河。开拓性工作的创建者是荷兰莱顿大学的生理学 Einthoven，他在毛细管静电记的基础上研制出了以“弦线型放大器”为核心的心电图机，并与 1905年正式应用 和推广到临床。 1930年以后，“弦线型放大器”逐步被电子管所取代； 20世纪中叶发明晶体管后，晶体管逐渐取代电子管； 20世纪晚期又采用集成块代替晶体管，从而使原来庞大的心电检测系统改革成为一只精巧、美观、实用的心电仪器。 如今随着时代的发展心电采集更是日新月异的进步，也因为心电图式重要的医学参数，所以心电采集仍以极快

33、的速度在发展，当然心电采集的芯片也有着日新月异的变化，从原来的单片机，到现在的 arm和 dsp。 Dsp数据传输速度快且数据处理速度也是一流，这样大幅度提升了心电采集的实时性。在下一节我就简单介绍基于 dsp技术的心电工作站系统。以充分体现出其优点。 1.2.3 基于 dsp技术的心电工作站系统 目前 ,以心电信号自动测量、分析和诊断为主的心电工作站系统已经得到了广泛的应用 ,对于心脏疾病的早期预防、实时诊断发挥了较大的作用。分析传统的心电工作站系统 ,可以发现如下的特点： 1）大多是基于 PC 机系统 ,心电信号经PC 采样接口卡存储到 PC 上 ,然后由 PC 机进行分析处理 ,这在一些

34、场合（如病人床边、家中）的数据采集时使用不方便 ;2）由单片机做成体积小、可以随身携带的仪器 ,但是 ,由于目前 8 16 位的单片机系统运算能力有限 ,而且数据空间有限 ,对于一些长时间的数据采集或要求较复杂算法的信号处理就无能为力了。 如何将 PC 系统的大数据空间、高运算能力与单片机的小型化结合起来 ,DSP器件提供了良好的解决方案。 DSP器件是为数字信号处理设计的高性能处理器件 ,已经在通讯、图像处理、医疗等诸多领域得到了广泛的应用 ,而且随着大规 模集成电路技术的发展 ,其性价比比也有很大的提高。本文介绍一种以 DSPTMS320C32芯片为核心的心电信号实时采集系统。 系统结构 （ 1） TMS320C32 特点 TMS320C32 是美国 TI公司浮点 C3X系列 DSP 器件的新一代产品 ,它针对 C30和 C31进行了简化和改进 ,具有如下的特点： 1）外接 40 MHz 的晶振 ,具有 40 MFLOPS,20MIPS 的运算速度 ,32 位运算精度 ,强大的指令系统 ,所有指令单周期执行 ; 2）丰富的硬件资源 ,包括 1个串行口 ,两个时钟 ,两个 DMA控制信道 ,优先级可以设置 ,4 级优先中断 ,支持多种的寻址方式 ,提高了信号处理的运算能力 ;