基于DSP320C32芯片的心電工作站系統(tǒng)設(shè)計方案

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(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。

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時處理。