如何將PC系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)空間、高運(yùn)算能力與單片機(jī)的小型化結(jié)合起來,DSP器件提供了良好的解決方案。DSP器件是為數(shù)字信號處理設(shè)計的高性能處理器件,已經(jīng)在通訊、圖像處理、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,而且隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,其性價比比也有很大的提高。本文介紹一種以 DSP TMS320C32芯片為核心的心電信號實(shí)時采集系統(tǒng)。
目前,以心電信號自動測量、分析和診斷為主的心電工作站系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,對于心臟疾病的早期預(yù)防、實(shí)時診斷發(fā)揮了較大的作用。分析傳統(tǒng)的心電工作站系統(tǒng),可以發(fā)現(xiàn)如下的特點(diǎn)：1）大多是基于PC機(jī)系統(tǒng),心電信號經(jīng)PC采樣接口卡存儲到PC上,然后由PC機(jī)進(jìn)行分析處理,這在一些場合（如病人床邊、家中）的數(shù)據(jù)采集時使用不方便;2）由單片機(jī)做成體積小、可以隨身攜帶的儀器,但是,由于目前8／16位的單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算能力有限,而且數(shù)據(jù)空間有限,對于一些長時間的數(shù)據(jù)采集或要求較復(fù)雜算法的信號處理就無能為力了。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2．1 TMS320C32特點(diǎn)
TMS320C32是美國TI公司浮點(diǎn)C3X系列DSP器件的新一代產(chǎn)品,它針對C30和C31進(jìn)行了簡化和改進(jìn),具有如下的特點(diǎn)：
1）外接40 MHz的晶振,具有40 MFLOPS,20MIPS的運(yùn)算速度,32位運(yùn)算精度,強(qiáng)大的指令系統(tǒng),所有指令單周期執(zhí)行;
2）豐富的硬件資源,包括1個串行口,兩個時鐘,兩個DMA控制信道,優(yōu)先級可以設(shè)置,4級優(yōu)先中斷,支持多種的尋址方式,提高了信號處理的運(yùn)算能力;
3）較大的尋址空間,24根地址線有近16 Mb的空間,數(shù)據(jù)程序總線的寬度可變,STRB0、1可定義為8／16／32位的數(shù)據(jù)寬度和外部存儲器寬度;
4）外部中斷觸發(fā)方式可選電平／邊沿方式,內(nèi)部中斷矢量表地址可復(fù)位,程序引導(dǎo)可由芯片內(nèi)部Boot Loader實(shí)現(xiàn);
5）增加了兩種節(jié)電運(yùn)行方式,低功耗。
2．2 系統(tǒng)主要設(shè)計指標(biāo)
下面是以DSP為核心的心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計框圖,如圖1所示,主要包括以下特點(diǎn)：
1）多通路信號采樣,可控制模擬多路開關(guān)采集16路信號,包括12路常規(guī)心電信號ECG、3路正交信號CMP和1路心率變異信號HRV;
2）A／D采樣頻率為16 kHz,分辯率為12 bit,轉(zhuǎn)換精度高,線性誤差為1／2 LSB;
3）大存儲容量。1 Mb的存儲空間,能夠存儲多路長時心電數(shù)據(jù)及分析診斷結(jié)果;
4）有可編程邏輯芯片MACH實(shí)現(xiàn)邏輯控制;
5）其它部分,包括LCD圖形點(diǎn)陣式液晶顯示、輸入按鍵。
2．3 信號采集系統(tǒng)
2．3．1 程序及數(shù)據(jù)存儲器
多路心電信號實(shí)時采集的數(shù)據(jù)量比較大,10 s的常規(guī)12路ECG信號有240 k字節(jié)的數(shù)據(jù)量。系統(tǒng)選用大容量的快速閃存作為存儲器。C32允許可變寬度的外部存儲器接口,用作數(shù)據(jù)存儲時,寬度可以是8／16／32位,用作程序存儲時,寬度可以是16／32位,因此,設(shè)計16位的外部存儲器接口,同時用于存放應(yīng)用程序和數(shù)據(jù),兩片Atmel27F080構(gòu)成1Mb×16的存儲器,采用16位的存儲器接口方式,減小了系統(tǒng)的體積。Atmel 27F080的數(shù)據(jù)存儲時間是70 ns,符合快速接口的要求,允許任意位置數(shù)據(jù)的存儲、擦除,與DSP的連接如圖2所示。
DSPC32的內(nèi)部RAM是512字,為增強(qiáng)其算法處理能力,外部擴(kuò)展了32 kb的高速SRAM,由4片ISSI61C256－15構(gòu)成,其存儲速度是15 ns。
2．3．2 多路開關(guān)和A／D信號采集
經(jīng)放大后的多路心電信號通過多路模擬開關(guān)后輸入到A／D轉(zhuǎn)換器,進(jìn)行時分多路的信號采樣。多路開關(guān)選用Max336 16路選1的開關(guān)。設(shè)計信道1～12用作12路常規(guī)心電信號輸入,信道13～15用作3路正交信號的采集,信道16用作心率變異信號輸入。具體采集時由DSP控制邏輯器件確定所要采集的通路。
A／D轉(zhuǎn)換由Max196完成。Max196能實(shí)現(xiàn)12bit模數(shù)轉(zhuǎn)換,單5 V供電,內(nèi)部有參考電壓Vref轉(zhuǎn)換電路,支持±10 V、±5 V、0～10 V、0～5 V的電壓轉(zhuǎn)換范圍,由控制字確定輸入信號的范圍,A／D轉(zhuǎn)換的速率可達(dá)100 ksps,具有低功耗的工作方式,輸入輸出引腳全部三態(tài),與微處理器的接口簡便,如圖3所示。
DSP往其寫控制字啟動A／D轉(zhuǎn)換,A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后,產(chǎn)生Int信號,連到DSP的Int1上,產(chǎn)生外部中斷,DSP讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。系統(tǒng)的采樣頻率是16k,DSP的指令周期是50 ns,因此,在兩次轉(zhuǎn)換的間期,DSP有充足的時間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,包括數(shù)據(jù)濾波、存儲等。
2．3．3 MACH邏輯控制部分
系統(tǒng)的邏輯控制由MACH4 64／32（見圖4）實(shí)現(xiàn)。MACH4 64／32是Vantis公司的第二代高密度、電可擦除、CMOS PLD器件,邏輯容量相當(dāng)于1250個等效PLD門。在本系統(tǒng)中,MACH負(fù)責(zé)產(chǎn)生各外設(shè)的片選信號、模擬開關(guān)的計數(shù)控制信號、按鍵的編碼等。
當(dāng)A1A0給MACH內(nèi)部的寄存器賦值00時,輸出Q3Q2Q1Q0從0000～1011按12進(jìn)制計數(shù),模擬開關(guān)選擇常規(guī)12導(dǎo)心電信號;當(dāng)A1A0＝01時,輸出Q3Q2Q1Q0從1100～1110按3進(jìn)制計數(shù),模擬開關(guān)選擇3導(dǎo)正交心電信號;當(dāng)A1A0＝10時,輸出Q3Q2Q1Q0＝1111,模擬開關(guān)選擇心率變異信號。
系統(tǒng)設(shè)置了4個按鍵,用于功能選擇。由MACH對按鍵實(shí)現(xiàn)編碼,確定按鍵代碼D1D0,同時,產(chǎn)生按鍵中斷信號連到DSP的Int2引腳上。
3 心電工作站的心率變異性分析
心率變異性（HVR）分析目前在臨床研究中受到了普遍的重視,已成為心血管疾病及心電生理研究的熱點(diǎn)。一般處理方法是采集短時（520點(diǎn)）或長時（24 h）心電信號R波的間期,從多個信號處理的角度進(jìn)行分析,給出關(guān)鍵參數(shù)。本系統(tǒng)對心率信號采集處理的流程如圖5所示。
系統(tǒng)設(shè)置包括設(shè)置采樣頻率fs＝1 kHz,模擬開關(guān)選擇第16路。由于HRV分析的對象是心電波形的RR間期,在數(shù)據(jù)采樣同時,就對波形的R波進(jìn)行定位,找到R波位置,計算出相鄰R波的間隔RR間期后存儲。DSP的高速特點(diǎn)使得在數(shù)據(jù)采樣的同時可以進(jìn)行較為復(fù)雜的信號處理,比較準(zhǔn)確地找到R波的位置。具體采用了如下措施：
1）數(shù)字濾波。采樣的信號通過截止頻率是150Hz的低通數(shù)字濾波器,實(shí)時濾除高頻的干擾信號。
2）采用斜率跟蹤的方法確定R波的位置。事先確定一個閾值,當(dāng)采集波形的斜率變化超過閾值時,跟蹤尋找斜率變化最大的位置,即R波所在的位置。
采樣完畢后,對RR間期進(jìn)行快速分析,分析方法包括了時域的統(tǒng)計分析、頻域的譜分析,得到多個分析結(jié)果顯示在液晶顯示器上。
本文設(shè)計的以DSP320C32芯片為核心的心電工作站系統(tǒng),使得多路心電信號的采集、分析能夠?qū)崟r實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)的體積小,便于攜帶,同時有較強(qiáng)的運(yùn)算能力,將數(shù)字濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法增加到分析程序中,將大大提高處理能力與診斷的準(zhǔn)確性。同時,適當(dāng)改變程序（如輸入信號信道的定義）和分析程序等,還可使本系統(tǒng)用于其它的生理信號實(shí)時處理。