TMS320C5515：心電圖（ECG）MDK開發(fā)方案

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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yù)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(wù)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(fù)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(luò)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用，Texas Instruments開發(fā)了基于C5515 DSP的MDK。典型醫(yī)療應(yīng)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(yīng)用開發(fā)。它包含下列元件：

? C5515重點目標醫(yī)療應(yīng)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(yīng)用的模擬元件；

? C5515 DSP評估模塊（EVM）主板；

? 醫(yī)療應(yīng)用軟件，包括實例演示。

圖5DSP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(yīng)用中，X軸（時間）和Y軸（振幅）上的變焦功能；

? PC應(yīng)用中，凍結(jié)屏幕選項；

? 記錄ECG數(shù)據(jù)，離線查看PC應(yīng)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(yīng)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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