DSP在心電工作站的應(yīng)用

1　引　言

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：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。

如何將PC系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)空間、高運算能力與單片機(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 DSPTMS320C32芯片為核心的心電信號實時采集系統(tǒng)。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2．1　TMS320C32特點

TMS320C32是美國TI公司浮點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：

1）外接40 MHz的晶振,具有40 MFLOPS,20MIPS的運算速度,32位運算精度,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實現(xiàn);

5）增加了兩種節(jié)電運行方式,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：

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實現(xiàn)邏輯控制;

5）其它部分,包括LCD圖形點陣式液晶顯示、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。