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(jì)等。典型應(yīng)用包括模擬前端(AFE)、信號(hào)處理算法以及用戶控制與交互。 TMS320C5515是低功耗定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)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(shí)鐘速率60-,75-,100-,120-MHz,具有320kB 片內(nèi)RAM。
ECG設(shè)計(jì)
TMS320C5515定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器是TI公司TMS320C5000?定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)產(chǎn)品系列的成員之一,面向低功耗應(yīng)用。
定 點(diǎn)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(shí)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(dòng)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(gè)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(gè)DMA控制器,每個(gè)都具有4根通道,無需CPU干預(yù)即可在16條獨(dú)立通道的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。在CPU活動(dòng)過程中或獨(dú)立于CPU活 動(dòng),每個(gè)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(gè)乘累加(MAC)單元,每個(gè)單元在單個(gè)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(yùn)算/邏輯單元(ALU)得 到了另一個(gè)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(dòng)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(chǔ)器獲取32位程序,并針對(duì)程序單元(PU)排列指令。程序單元對(duì)指 令進(jìn)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(hù)的流水線。提前轉(zhuǎn)移功能可以避免執(zhí)行條件指令時(shí)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(gè)多媒體卡/安全數(shù)字(MMC/SD)外設(shè)、4個(gè)Inter- IC Sound(I2S BusTM)模塊、1個(gè)具有4種芯片選擇的串行端口接口(SPI)、1個(gè)I2C多主-從接口和1個(gè)通用異步接收器/發(fā)射器(UART)接口實(shí)現(xiàn)了串行媒體 支持。
器件外設(shè)集包括1個(gè)外部存儲(chǔ)器接口(EMIF),可以無縫訪問異步存儲(chǔ)器(如EEPROM、NOR、NAND和SRAM)和高速、 高密度存儲(chǔ)器(如同步DRAM(SDRAM)和移動(dòng)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(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)。該器件還包含3個(gè)通用定時(shí)器(其中1個(gè)可配置成看門狗定時(shí)器)和1個(gè)模擬鎖相環(huán)(APLL)時(shí)鐘發(fā)生器。
此外,該器 件還包含1個(gè)緊耦合FFT硬件加速器。緊耦合FFT硬件加速器支持8點(diǎn)~1024點(diǎn)(2的乘冪)實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)FFT。并且,該器件還含有3個(gè)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(shí)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(shí)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(jì)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(bào)中斷或喚醒引腳可以重新啟動(dòng)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(jiǎng)的eXpressDSPTM、Code Composer Studio?集成開發(fā)環(huán)境(IDE)、DSP/BIOS?、Texas Instruments算法標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)器與評(píng)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(diǎn)DSP
? 16.67/13.33/10/8.33-ns指令周期時(shí)間
? 60、75、100和120MHz時(shí)鐘速率
? 320kB片上RAM
? 16/8位外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)
? 2個(gè)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(gè)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(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)
? 4個(gè)內(nèi)核絕緣電源域
? 4個(gè)I/O絕緣電源域
? 3個(gè)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(jì),要求以極低的功耗實(shí)現(xiàn)較高的DSP處理性能。TMS320C5515數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)是這類應(yīng)用的較理想之選。C5515是TI公司C5000TM定點(diǎn)DSP平臺(tái)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:[!--empirenews.page--]
? 模擬前端,包括用于從身體采集感興趣的信號(hào)的傳感器;
? 信號(hào)處理算法,可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)節(jié)、進(jìn)行測(cè)量與測(cè)量分析,進(jìn)而確定健康狀況;
? 用戶控制與交互,包括信號(hào)處理結(jié)果的圖形顯示和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程病患監(jiān)測(cè)的連接功能。
MDK設(shè)計(jì)支持完整的醫(yī)療應(yīng)用開發(fā)。它包含下列元件:
? C5515重點(diǎn)目標(biāo)醫(yī)療應(yīng)用(ECG、數(shù)字聽診器和脈沖血氧計(jì))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(píng)估模塊(EVM)主板;
? 醫(yī)療應(yīng)用軟件,包括實(shí)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(dòng),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(diǎn))來測(cè)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(shí)現(xiàn)12引線ECG輸出;
? 除纖顫器保護(hù)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(cè);
? 在EVM LCD屏幕上實(shí)時(shí)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(xiàng);
? 在PC上實(shí)時(shí)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(shí)間)和Y軸(振幅)上的變焦功能;
? PC應(yīng)用中,凍結(jié)屏幕選項(xiàng);
? 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(xiàng);
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(fèi)板上器件,適于各種應(yīng)用環(huán)境。
了解C5515 EVM方面的詳情,請(qǐng)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(chǔ)器(EEPROM);
? 外部存儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)1149.1-1990、IEEE標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(jì)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(shì)穿過ECG前端板內(nèi)的除纖顫器保護(hù)(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(gè)肢電極和6個(gè)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(hào),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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