摘  要： 介紹12導(dǎo)聯(lián)數(shù)字心電圖機(jī)研制開發(fā)，采用雙CPU架構(gòu)，包括數(shù)字信號處理TMS320F206和微控制器AT89C55。該儀器利用數(shù)字信號處理器TMS320F206PZ實(shí)現(xiàn)實(shí)時對心電信號進(jìn)行濾波和心電參數(shù)計(jì)算;熱敏打印心電圖形和檢測結(jié)果;存儲病人的心電數(shù)據(jù)，心電圖形的回放打印，與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通主，建立病人的心電數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步研究分析。
關(guān)鍵詞： 心電圖； 數(shù)字信號處理器； 數(shù)據(jù)采集； 熱敏打印

    數(shù)字心電圖機(jī)除了具備常規(guī)心電圖機(jī)[1]的優(yōu)點(diǎn)外，還具有自身不可替代的優(yōu)勢。雖然ECG(Electro Cardio Graph)信號可直觀地反映人體心臟的工作狀況，但由于心電信號本身就很微弱(一般只有mV級)，而在測量時外部干擾(如工頻干擾、肌電噪聲、呼吸干擾、基線漂移等)嚴(yán)重，所以在采集時具有較大的難度。心電圖機(jī)記錄ECG的方式從技術(shù)上可分為兩大類：單通道分步記錄式和多通道同步記錄式。由于受技術(shù)條件的限制,以前的心電圖機(jī)基本屬于前者。趨勢是由模擬式單通道記錄逐漸向數(shù)字式12導(dǎo)聯(lián)同步記錄ECG信號發(fā)展。開發(fā)的數(shù)字心電圖機(jī)技術(shù)要求如下：
    (1)具有自動分析功能時，可以對心率等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，自動報(bào)告心律失常類別。
    (2)數(shù)字心電圖機(jī)的抗干擾能力強(qiáng)，對各種干擾采用數(shù)字濾波的方法,大大優(yōu)于模擬心電圖機(jī)的性能指標(biāo)。
    (3)準(zhǔn)確度高,實(shí)時性好。數(shù)字化心電圖機(jī)采用高速、高精度A/D采集心電數(shù)據(jù)，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。
    (4)自動測試分析功能。由于數(shù)字化心電圖機(jī)帶有自動分析系統(tǒng)，故其可以具備自動測量和心電圖解釋功能，可實(shí)時提供心率、R-R間期、S-T段等參考數(shù)據(jù)以輔助診斷。
    (5)心電信息的再現(xiàn)和保存。由于在數(shù)字化心電圖機(jī)中，心電信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)化后成為數(shù)字量存放于非易失性存儲器中，可隨時提取回放，或通過標(biāo)準(zhǔn)接口RS233傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有利于醫(yī)務(wù)人員對患者進(jìn)行進(jìn)一步診斷和心電信息交流。
    (6)友好人機(jī)接口界面。操作者可方便地選擇各種采集、濾波、打印方式，并可通過液晶顯示屏（LCD）顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以便隨時改變方式或工作狀態(tài)，獲得最佳數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)必須對心電圖的記錄、分析理論和技術(shù)進(jìn)行多方面的研究，重點(diǎn)突破在低成本和低功耗的條件下,實(shí)現(xiàn)和滿足上述要求的硬件和軟件。
2 基于DSP與單片機(jī)技術(shù)的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)
    TMS320F206（以下簡稱F206）是美國TI公司推出的一種性能價格比較高的定點(diǎn)DSP芯片[2]，全部采用靜態(tài)CMOS集成工藝制作而成。它以TMS320C2XX為基礎(chǔ)，但功耗更低。32 KB閃爍存儲器內(nèi)嵌于DSP中，減小了系統(tǒng)體積，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且毋需專門的編程器(XDS510仿真器即具有編程功能)，從而減少了開發(fā)成本。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)206負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及存儲打印等高速實(shí)時任務(wù)。經(jīng)實(shí)踐表明，采用了該設(shè)計(jì)后充分發(fā)揮了F206速度快、精度高的特點(diǎn)，使系統(tǒng)能夠達(dá)到多通道實(shí)時高速同步采樣、處理及精度的指標(biāo)要求。作為整機(jī)構(gòu)成的基礎(chǔ)，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)直接影響到整機(jī)的性能與價格。為了縮小整機(jī)體積并降低功耗，必須在滿足系統(tǒng)性能要求的情況下盡可能減少硬件開銷。
2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)上述功能，將整個心電圖機(jī)的主體硬件系統(tǒng)分為三塊電路板，即放大電路板、電源板和系統(tǒng)板。這樣既有利于縮小系統(tǒng)的體積,方便以后的技術(shù)升級，同時還使得以后的生產(chǎn)裝配更為簡便。由于采用了多層印刷電路板和表面貼片封裝的集成芯片，使得走線縮短，整機(jī)體積減小，從而提高了整機(jī)的可靠性。在傳統(tǒng)的數(shù)字心電圖機(jī)中[4]，一般采取8051、80C196等普通單片機(jī)作為核心部件[2]，由于普通單片機(jī)采用的是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，即程序指令和數(shù)據(jù)共用一個存儲空間，指令周期較長，多為微秒級，在實(shí)際應(yīng)用中限制了采樣頻率及算法的實(shí)時性，一般只能對心電信號進(jìn)行200 Hz或500 Hz采樣，且較難做到實(shí)時處理。而數(shù)字信號處理器(DSP)放棄了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，采用哈佛結(jié)構(gòu)，即將程序指令與數(shù)據(jù)的存儲空間分開，各有自己的地址與數(shù)據(jù)總線。這就使得處理指令和數(shù)據(jù)可以同時進(jìn)行，從而大大提高了處理速度，指令周期多為納秒級且絕大部分為單周期指令，滿足實(shí)時信號處理的要求。在具有強(qiáng)大運(yùn)算能力的同時，DSP處理器在控制處理方面卻不如普通單片機(jī)，如I/O口線較少，與慢速液晶顯示器難以實(shí)現(xiàn)“無縫”連接等，而51單片機(jī)能彌補(bǔ)這一缺陷。因此，DSP處理器與普通單片機(jī)結(jié)合，就能各取所長以獲得較高的性價比。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
    在圖1中，8路放大器分別對I、II、V1、V2、V3、V4、V5、V6 8個導(dǎo)聯(lián)精確放大1 000倍，而III、aVR、aVL、aVF 4個導(dǎo)聯(lián)的值可由I、II線性求出： III=II-I， aVR=(-I-II)/2,， aVL=(I-III)/2， aVF=(II+III)/2。根據(jù)美國心臟聯(lián)合會公布的標(biāo)準(zhǔn)，ECG信號頻率范圍為0.05 Hz~100 Hz (3 dB)，由香農(nóng)取樣定理可知，對心電信號的采樣頻率須至少為200 Hz。但為了獲得心電信號更細(xì)節(jié)的信息，并提高分析精度，以1 000 Hz的高采樣率進(jìn)行采樣[6]。這一工作由51單片機(jī)完成，當(dāng)每路信號均采樣一點(diǎn)完畢即通過P3.4向DSP發(fā)出中斷信號INT1，DSP便可進(jìn)行濾波，打印等工作。雙端口RAM用于51單片機(jī)與DSP處理器的并行通信。通過2片CPU將采樣與處理并行進(jìn)行，這樣可大大提高采樣速度及處理能力。MAX232接口電路可用于DSP與PC機(jī)串行通信。AT89C55內(nèi)部具有24 KB的EEPROM程序空間，TMS320F206片內(nèi)也有32  KB的閃爍存儲器供程序存儲用[Y8]。但為了在系統(tǒng)研制階段對DSP系統(tǒng)方便地進(jìn)行程序調(diào)試,還擴(kuò)展了兩片32 K×8 BITS的高速靜態(tài)RAM(CY7C199)。為了進(jìn)行仿真及閃爍存儲器的編程工作，JTAG接口電路也是必須的。

2.2 TMS320F206與AT89C55的高速數(shù)據(jù)通信
    在雙CPU系統(tǒng)中，為了充分利用雙CPU資源，將51單片機(jī)強(qiáng)大的控制功能與DSP處理器的快速處理功能有效結(jié)合，雙CPU之間的通信與協(xié)調(diào)顯得極其重要。而數(shù)據(jù)通信無非是兩種：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，而且占用較多的CPU資源,另外,DSP的異步串行口須用于與PC機(jī)間的通信，而同步串行口則用于與熱敏打印機(jī)接口。為此，采用并行通信的方式：利用2 KB的雙端口RAM IDT7132來實(shí)現(xiàn)雙CPU之間的并行通信。IDT7132是目前被廣泛采用的一種并行通信器件，速度快、功耗低，尤其適用于雙CPU之間的通信。在對雙端口的設(shè)計(jì)中，主要是解決訪問仲裁問題。在雙端口RAM內(nèi)部有一個訪問仲裁器用以協(xié)調(diào)兩邊的訪問請求。為此，在電路設(shè)計(jì)中必須將相關(guān)的引腳相連，同時與軟件相配合以保證兩邊的讀寫時序正確。雙CPU都必須對雙端口RAM單邊正確尋址訪問，否則將引起數(shù)據(jù)混亂或丟失。由于雙端口RAM在兩個CPU系統(tǒng)中的譯碼條件不一樣，所占的存儲空間也不一樣：在89C55系統(tǒng)中將地址線A13與右端片選端CER相連,則占用的數(shù)據(jù)空間可分配為C000h—C7ffh，在F206系統(tǒng)中通過GAL16V8進(jìn)行譯碼，占用了數(shù)據(jù)空間的7800h—78ffh。雙端口RAM相當(dāng)于兩片普通RAM加上一個連接兩邊的訪問請求仲裁器，因此其訪問條件不同于普通RAM：當(dāng)某一CPU準(zhǔn)備訪問雙口RAM中的某一單元前,須先判斷另一CPU是否正讀寫雙口RAM，若正在讀寫,則該CPU只能等待另一CPU訪問結(jié)束。如若DSP寫雙口RAM的某一單元可通過指令實(shí)現(xiàn)，而51機(jī)訪問雙口RAM可通過I/O口讀寫指令實(shí)現(xiàn)。而單片機(jī)訪問雙口RAM映射在外部RAM地址空間來實(shí)現(xiàn)。。為了避免兩個CPU訪問雙口RAM耗費(fèi)過多的等待時間，可以通過合理的通信協(xié)議來減少某一CPU對雙口RAM的訪問次數(shù)。為此，只通過雙口RAM將51機(jī)接收到的鍵盤值及采樣值存放在雙口RAM中供DSP使用，而DSP僅將最后計(jì)算結(jié)果送給雙口RAM供51機(jī)控制液晶顯示用。
2.3 心電信號同步數(shù)據(jù)采集
    在儀器中采用了AD7888來完成心電信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7888是一個高速低功耗12 bit ADC,用2.7 V~5.25 V單電源工作，最大轉(zhuǎn)換率125 KSPS。AD7888的輸入采樣/保持電路在500 ns內(nèi)獲取一個信號，采取單端采樣方式，它包含8個單端模擬輸入，從AIN1~AIN8，模擬輸入電壓從0~VREF ，由于心電信號中含有低于0的信號成份，因此需要用電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行轉(zhuǎn)換由于MCS-51機(jī)的串行數(shù)據(jù)通信口是8位，而AD7888一次收發(fā)16位數(shù)據(jù)，無法直接與51機(jī)的串行數(shù)據(jù)通訊口相連接,因此用軟件實(shí)現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)通信，由P1口的P1.2產(chǎn)生串行時鐘SCLK，P3.0作DOUT，P3.1作DIN，P1.1作AD7888的片選端CS。它的VREF由LM336提供+5 V電壓。電路圖如圖2所示。所以通過電阻網(wǎng)絡(luò)使得心電信號輸入的動態(tài)達(dá)到-5 V~+5 V的范圍，滿足了心電信號前置放大器的要求。

2.4 基于點(diǎn)陣式LCD人機(jī)接口的設(shè)計(jì)
    為了便于醫(yī)生操作和控制，該系統(tǒng)配置了液晶顯示器件。依據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)，為了顯示中英文和心電圖波形，屏幕點(diǎn)陣不可過少，顯示面積必須足夠大。并且，由于該系統(tǒng)屬于便攜式醫(yī)療儀器，在設(shè)計(jì)時還須注意其功耗問題。為此，采用了一種目前使用較多的大屏幕160X128點(diǎn)陣式液晶顯示模塊DMF-5001N。它采用T6963作為點(diǎn)陣液晶顯示控制器，可以工作在字符或圖形方式下，并具有中文顯示功能。
    在儀器的系統(tǒng)軟件開發(fā)方面，對不同CPU的工作特點(diǎn)采用不同的開發(fā)語言[3]，以滿足該系統(tǒng)多功能的要求。由于AT89C55負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的運(yùn)行管理，選取單片機(jī)高級語言KEIL C51語言來開發(fā)系統(tǒng)管理程序。為了保證DSP程序的高效、代碼短,采用匯編語言編寫DSP程序。由于新技術(shù)的綜合運(yùn)用，保證了設(shè)計(jì)的12導(dǎo)聯(lián)數(shù)字心電圖機(jī)的技術(shù)的先進(jìn)性、可靠性和安全性，達(dá)到了同類機(jī)型的技術(shù)水平[7]。特別是，熱敏打印機(jī)的采用，配合心電曲線和漢字混合打印技術(shù)，使打印出來的心電圖清晰，運(yùn)行噪聲低。中文的心電輔助診斷報(bào)告便于醫(yī)生觀察和診斷，很適合國內(nèi)醫(yī)療器械市場的需求。
參考文獻(xiàn)
[1] 關(guān)力編譯.1994年醫(yī)學(xué)電子學(xué)新進(jìn)展[J].國外醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)分冊，1994，17（4）
[2] TMS320C2XX User’s Guide (1997,Digital Signal Processing Solutions, Texas Instrument)[EB].
[3] 徐愛鈞,彭秀華.單片機(jī)高級語言C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.
[3] 馬忠梅，籍順心,張凱，等.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.
[4] 呂維雪.醫(yī)學(xué)儀器新進(jìn)展[J].中國醫(yī)療器械雜志，1991，15(4).
[6] DASKLOVA V K. Developments in ECG acquisition, preprocessing parameter measurement and recording.IEEE Engineering in Medical and Biology. pp:50-58 0739-5175/98. March/April/1998
[7] 楊玉星, 尹冬元, 張德成. 基于數(shù)字信號處理技術(shù)的新型心電圖自動分析系統(tǒng)[J]. 航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程,2002,15(3):189-194.