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TMS320C5515:心電圖(ECG)MDK開發(fā)方案

2011-11-25
關(guān)鍵詞: DSP TMS320C5515 心電圖 ECG

TI 公司的TMS320C5515 DSP醫(yī)療開發(fā)套件(Rev. B)支持完整的醫(yī)療應用開發(fā),如心電圖ECG)、數(shù)字聽診器和脈沖血氧計等。典型應用包括模擬前端(AFE)、信號處理算法以及用戶控制與交互。TMS320C5515是低功耗定點數(shù)字信號處理器(DSP),采用TMS320C55x™ DSP處理器核,內(nèi)核工作電壓1.05V/1.3V、I/O電壓為1.8/2.5/2.75/3.3V。16.67/13.33/10/8.33-ns指令周期,時鐘速率60-,75-,100-,120-MHz,具有320kB 片內(nèi)RAM。

ECG設(shè)計

TMS320C5515定點數(shù)字信號處理器是TI公司TMS320C5000™定點數(shù)字信號處理器(DSP)產(chǎn)品系列的成員之一,面向低功耗應用。

定點DSP基于TMS320C55x™ DSP系列CPU處理器內(nèi)核。C55x™ DSP架構(gòu)通過提高并行化和集中精力節(jié)省功耗而實現(xiàn)了高性能與低功耗。CPU支持由1條程序總線、1根32位數(shù)據(jù)讀出總線、2根16位數(shù)據(jù)讀出總線、2根16位數(shù)據(jù)寫入總線和其他外設(shè)與DMA活動專用總線組成的內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)。這些總線提供了在單個周期內(nèi)執(zhí)行4次16位數(shù)據(jù)讀出和2次16位數(shù)據(jù)寫入操作的功能。該器件還包含4個DMA控制器,每個都具有4根通道,無需CPU干預即可在16條獨立通道的環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。在CPU活動過程中或獨立于CPU活動,每個DMA控制器每周期都可以執(zhí)行1次32位數(shù)據(jù)傳送。

C55x CPU提供了2個乘累加(MAC)單元,每個單元在單個周期內(nèi)都可以執(zhí)行1次17位×17位乘法和1次32位加法。中央40位運算/邏輯單元(ALU)得到了另一個16位ALU的支持。ALU的使用受控于指令集,提供了優(yōu)化并行活動與功耗的能力。這些資源存放在C55x CPU的地址單元(AU)和數(shù)據(jù)單元(DU)內(nèi)。


圖1 TMS320C5515方框圖

圖2 醫(yī)療開發(fā)套件(MDK)硬件方框圖

C55x CPU支持可變字節(jié)寬度指令集,從而提高了代碼密度。指令單元(IU)從內(nèi)部或外部存儲器獲取32位程序,并針對程序單元(PU)排列指令。程序單元對指令進行解碼,將任務指向地址單元(AU)和數(shù)據(jù)單元(DU)資源,管理受到全面保護的流水線。提前轉(zhuǎn)移功能可以避免執(zhí)行條件指令時發(fā)生流水線排空的情況。

通用輸入和輸出功能以及10位SAR ADC為LCD顯示器、鍵盤和媒體界面提供了充足的狀態(tài)、中斷和比特位I/O引腳。通過2個多媒體卡/安全數(shù)字(MMC/SD)外設(shè)、4個Inter-IC Sound(I2S BusTM)模塊、1個具有4種芯片選擇的串行端口接口(SPI)、1個I2C多主-從接口和1個通用異步接收器/發(fā)射器(UART)接口實現(xiàn)了串行媒體支持。

器件外設(shè)集包括1個外部存儲器接口(EMIF),可以無縫訪問異步存儲器(如EEPROM、NOR、NAND和SRAM)和高速、高密度存儲器(如同步DRAM(SDRAM)和移動SDRAM(mSDRAM))。其他外設(shè)包括:高速通用串行總線(USB2.0)僅Device模式和實時時鐘(RTC)。該器件還包含3個通用定時器(其中1個可配置成看門狗定時器)和1個模擬鎖相環(huán)(APLL)時鐘發(fā)生器。

此外,該器件還包含1個緊耦合FFT硬件加速器。緊耦合FFT硬件加速器支持8點~1024點(2的乘冪)實數(shù)和復數(shù)FFT。并且,該器件還含有3個集成式LDO(DSP_LDO、ANA_LDO和USB_LDO),可以為器件的不同部分供電。DSP_LDO可以為DSP內(nèi)核(CVDD)提供1.3V~1.05V的電壓。為了實現(xiàn)功耗最低的操作,編程器可以在外部電源為RTC(CVDDRTC和DVDDRTC)供電的時候關(guān)閉內(nèi)部DSP_LDO,從而降低了DSP內(nèi)核(CVDD)的功耗。ANA_LDO設(shè)計用于為DSP PLL(VDDA_PLL)、SAR和電源管理電路(VDDA_ANA)提供1.3V的電壓。USB_LDO為USB內(nèi)核數(shù)字(USB_VDD1P3)和PHY電路(USB_VDDA1P3)提供了1.3V的電壓。RTC警報中斷或喚醒引腳可以重新啟動內(nèi)部DSP_LDO,重新為DSP內(nèi)核供電。

該器件得到了業(yè)內(nèi)獲獎的eXpressDSPTM、Code Composer Studio™集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、DSP/BIOS™、Texas Instruments算法標準和業(yè)內(nèi)最大的第三方網(wǎng)絡的支持。Code Composer Studio IDE具有代碼生成工具,包括C編譯器和連接器、RTDXTM、XDS100TM、XDS510TM、XDS560™仿真器件驅(qū)動器與評估模塊。該器件還得到了C55x DSP庫的支持,其具有50多種基本軟件內(nèi)核(FIR濾波器、IIR濾波器、FFT和各種數(shù)學功能)和芯片支持庫。


圖3 ECG板外形圖

圖4 安裝在C5515 EVM的ECG前端外形圖

TMS320C5515的主要特性

• 高性能/低功耗C55xTM定點DSP

• 16.67/13.33/10/8.33-ns指令周期時間

• 60、75、100和120MHz時鐘速率

• 320kB片上RAM

• 16/8位外部存儲器接口(EMIF)

• 2個多媒體卡/安全數(shù)字I/F

• 具有4種芯片選擇的串行端口I/F(SPI)

• 4個Inter-IC Sound(I2S Bus™)

• USB 2.0全速和高速器件

• 帶有異步接口的LCD橋

• 緊耦合FFT硬件加速器

• 10位4-輸入SAR ADC

• 具有晶體輸入的實時時鐘(RTC)

• 4個內(nèi)核絕緣電源域

• 4個I/O絕緣電源域

• 3個集成式LDO

• 提供工業(yè)溫度器件

• 1.05V內(nèi)核電壓、1.8/2.5/2.75/3.3V I/O電壓

• 1.3V內(nèi)核電壓、1.8/2.5/2.75/3.3V I/O電壓

醫(yī)療開發(fā)套件(MDK)

大量新興醫(yī)療應用,如心電圖(ECG)、數(shù)字聽診器和脈沖血氧計,要求以極低的功耗實現(xiàn)較高的DSP處理性能。TMS320C5515數(shù)字信號處理器(DSP)是這類應用的較理想之選。C5515是TI公司C5000TM定點DSP平臺的成員之一。為了利用C5515開發(fā)各種醫(yī)療應用,Texas Instruments開發(fā)了基于C5515 DSP的MDK。典型醫(yī)療應用包括:

• 模擬前端,包括用于從身體采集感興趣的信號的傳感器;

• 信號處理算法,可以實現(xiàn)信號調(diào)節(jié)、進行測量與測量分析,進而確定健康狀況;

• 用戶控制與交互,包括信號處理結(jié)果的圖形顯示和實現(xiàn)遠程病患監(jiān)測的連接功能。

MDK設(shè)計支持完整的醫(yī)療應用開發(fā)。它包含下列元件:

• C5515重點目標醫(yī)療應用(ECG、數(shù)字聽診器和脈沖血氧計)專用的模擬前端板(FE板),使用了TI面向醫(yī)療應用的模擬元件;

• C5515 DSP評估模塊(EVM)主板;

• 醫(yī)療應用軟件,包括實例演示。

圖5 ECG前端方框圖

圖6 DSP軟件架構(gòu)圖

MDK硬件簡介

心電圖(ECG/EKG)是記錄心臟的電活動,用于檢查心臟病??梢酝ㄟ^有選擇地在皮膚上放置電極(電接觸點)來測量電波。

醫(yī)療開發(fā)套件ECG的主要特性

MDK ECG系統(tǒng)的主要特性:

• 利用10電極輸入實現(xiàn)12引線ECG輸出;

• 除纖顫器保護電路;

• 帶寬為0.05Hz~150 Hz的診斷質(zhì)量ECG;

• 心搏率顯示;

• 持續(xù)斷線檢測;

• 在EVM LCD屏幕上實時顯示12引線ECG波形,一次可以選擇1條引線;

• EVM LCD屏幕上Y軸(振幅)的變焦選項;

• 在PC上實時顯示12引線ECG波形,一次可以選擇3條引線;

• PC應用中,X軸(時間)和Y軸(振幅)上的變焦功能;

• PC應用中,凍結(jié)屏幕選項;

• 記錄ECG數(shù)據(jù),離線查看PC應用上錄制的ECG數(shù)據(jù)選項;

MDK ECG系統(tǒng)包含下列元件:

• C5515 EVM

• ECG前端板

• ECG電纜

(1)C5515 EVM

EVM帶有全套免費板上器件,適于各種應用環(huán)境。

了解C5515 EVM方面的詳情,請參照與EVM一起提供的醫(yī)療開發(fā)套件。

MDK ECG系統(tǒng)內(nèi)采用的C5515 EVM的主要元件和接口包括:

• Texas Instrument公司推出的工作頻率為100MHz的TMS320C5515;

• C5512提供的用戶通用串行總線(USB)端口;

• 內(nèi)部集成電路(I2C)/串行外設(shè)接口(SPI)電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM);

• 外部存儲器接口(EMIF)、I2C、通用異步接收器/發(fā)射器(UART)、SPI接口;

• SAR;

• 外部IEEE標準1149.1-1990、IEEE標準測試存取端口和邊界掃描架構(gòu)(JTAG)仿真接口;

• 嵌入式JTAG控制器;

• 彩色LCD顯示器;

• 電鍵(用戶開關(guān))。

EVM由+5V外部電源或電池供電,設(shè)計用于和TI公司Code Composer Studio™集成開發(fā)環(huán)境(IDE)協(xié)同工作。Code Composer Studio通過外部仿真器或板上仿真器與EVM板通信。

(2)ECG前端板

ECG前端板上,電極采集的電勢穿過ECG前端板內(nèi)的除纖顫器保護(DP)電路。然后,前端板從12條ECG引線中分離出了8條,為DSP子系統(tǒng)提供數(shù)字輸入。前端板可以通過通用前端連接器與EVM板相連。前端板利用I2C和I2S接口、通過通用前端連接器與C5515 EVM板相連,并且由其供電。

前端板上的16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)(ADS1258)可以配置成500Hz采樣速率和24位數(shù)據(jù)分辨率。ADC利用SPI與C5515相連。

(3)ECG電纜

ECG電纜由4個肢電極和6個胸電極組成。該電纜通過DB15連接器與前端板相連。ECG電極從ECG仿真器/病患采集ECG信號,然后將它們發(fā)送給ECG前端板;使用了現(xiàn)成的ECG電纜。

 



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