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1 引 言 目前,以心電信號自動(dòng)測量、分析和診斷為主的心電工作站系統已經(jīng)得到了廣泛的應用,對于心臟疾病的早期預防、實(shí)時(shí)診斷發(fā)揮了較大的作用。分析傳統的心電工作站系統,可以發(fā)現如下的特點(diǎn)： 1）大多是基于PC機系統,心電信號經(jīng)PC采樣接口卡存儲到PC上,然后由PC機進(jìn)行分析處理,這在一些場(chǎng)合（如病人床邊、家中）的數據采集時(shí)使用不方便; 2）由單片機做成體積小、可以隨身攜帶的儀器,但是,由于目前8／16位的單片機系統運算能力有限,而且數據空間有限,對于一些長(cháng)時(shí)間的數據采集或要求較復雜算法的信號處理就無(wú)能為力了。 如何將PC系統的大數據空間、高運算能力與單片機的小型化結合起來(lái),DSP器件提供了良好的解決方案。DSP器件是為數字信號處理設計的高性能處理器件,已經(jīng)在通訊、圖像處理、醫療等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應用,而且隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展,其性?xún)r(jià)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(shí)時(shí)采集系統。 2 系統結構 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(jiǎn)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的運算速度,32位運算精度,強大的指令系統,所有指令單周期執行; 2）豐富的硬件資源,包括1個(gè)串行口,兩個(gè)時(shí)鐘,兩個(gè)DMA控制信道,優(yōu)先級可以設置,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(xiàn)有近16 Mb的空間,數據程序總線(xiàn)的寬度可變,STRB0、1可定義為8／16／32位的數據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,內部中斷矢量表地址可復位,程序引導可由芯片內部Boot Loader實(shí)現; 5）增加了兩種節電運行方式,低功耗。 2．2 系統主要設計指標 下面是以DSP為核心的心電數據采集系統的設計框圖,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(kāi)關(guān)采集16路信號,包括12路常規心電信號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,轉換精度高,線(xiàn)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(cháng)時(shí)心電數據及分析診斷結果; 4）有可編程邏輯芯片MACH實(shí)現邏輯控制; 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 2．3．1 程序及數據存儲器 多路心電信號實(shí)時(shí)采集的數據量比較大,10 s的常規12路ECG信號有240 k字節的數據量。系統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,用作數據存儲時(shí),寬度可以是8／16／32位,用作程序存儲時(shí),寬度可以是16／32位,因此,設計16位的外部存儲器接口,同時(shí)用于存放應用程序和數據,兩片Atmel27F080構成1Mb×16的存儲器,采用16位的存儲器接口方式,減小了系統的體積。Atmel 27F080的數據存儲時(shí)間是70 ns,符合快速接口的要求,允許任意位置數據的存儲、擦除,與DSP的連接如圖2所示。 DSPC32的內部RAM是512字,為增強其算法處理能力,外部擴展了32 kb的高速SRAM,由4片ISSI61C256－15構成,其存儲速度是15 ns。 2．3．2 多路開(kāi)關(guān)和A／D信號采集 經(jīng)放大后的多路心電信號通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)后輸入到A／D轉換器,進(jìn)行時(shí)分多路的信號采樣。多路開(kāi)關(guān)選用Max336 16路選1的開(kāi)關(guān)。設計信道1～12用作12路常規心電信號輸入,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(shí)由DSP控制邏輯器件確定所要采集的通路。 A／D轉換由Max196完成。Max196能實(shí)現12bit模數轉換,單5 V供電,內部有參考電壓Vref轉換電路,支持±10 V、±5 V、0～10 V、0～5 V的電壓轉換范圍,由控制字確定輸入信號的范圍,A／D轉換的速率可達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(jiǎn)便,如圖3所示。 DSP往其寫(xiě)控制字啟動(dòng)A／D轉換,A／D轉換結束后,產(chǎn)生Int信號,連到DSP的Int1上,產(chǎn)生外部中斷,DSP讀取轉換結果。系統的采樣頻率是16k,DSP的指令周期是50 ns,因此,在兩次轉換的間期,DSP有充足的時(shí)間進(jìn)行數據處理,包括數據濾波、存儲等。 2．3．3 MACH邏輯控制部分 系統的邏輯控制由MACH4 64／32（見(jiàn)圖4）實(shí)現。MACH4 64／32是Vantis公司的第二代高密度、電可擦除、CMOS PLD器件,邏輯容量相當于1250個(gè)等效PLD門(mén)。在本系統中,MACH負責產(chǎn)生各外設的片選信號、模擬開(kāi)關(guān)的計數控制信號、按鍵的編碼等。 當A1A0給MACH內部的寄存器賦值00時(shí),輸出Q3Q2Q1Q0從0000～1011按12進(jìn)制計數,模擬開(kāi)關(guān)選擇常規12導心電信號;當A1A0＝01時(shí),輸出Q3Q2Q1Q0從1100～1110按3進(jìn)制計數,模擬開(kāi)關(guān)選擇3導正交心電信號;當A1A0＝10時(shí),輸出Q3Q2Q1Q0＝1111,模擬開(kāi)關(guān)選擇心率變異信號。 系統設置了4個(gè)按鍵,用于功能選擇。由MACH對按鍵實(shí)現編碼,確定按鍵代碼D1D0,同時(shí),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(shí)（520點(diǎn)）或長(cháng)時(shí)（24 h）心電信號R波的間期,從多個(gè)信號處理的角度進(jìn)行分析,給出關(guān)鍵參數。本系統對心率信號采集處理的流程如圖5所示。 系統設置包括設置采樣頻率fs＝1 kHz,模擬開(kāi)關(guān)選擇第16路。由于HRV分析的對象是心電波形的RR間期,在數據采樣同時(shí),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)使得在數據采樣的同時(shí)可以進(jìn)行較為復雜的信號處理,比較準確地找到R波的位置。具體采用了如下措施： 1）數字濾波。采樣的信號通過(guò)截止頻率是150Hz的低通數字濾波器,實(shí)時(shí)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(gè)閾值,當采集波形的斜率變化超過(guò)閾值時(shí),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(shí)域的統計分析、頻域的譜分析,得到多個(gè)分析結果顯示在液晶顯示器上。 4 結束語(yǔ) 本文設計的以DSP320C32芯片為核心的心電工作站系統,使得多路心電信號的采集、分析能夠實(shí)時(shí)實(shí)現,系統的體積小,便于攜帶,同時(shí)有較強的運算能力,將數字濾波、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確性。同時(shí),適當改變程序（如輸入信號信道的定義）和分析程序等,還可使本系統用于其它的生理信號實(shí)時(shí)處理。 |
