基于DSP数字心电图机的设计

摘  要： 介绍12导联数字心电图机研制开发，采用双CPU架构，包括数字信号处理TMS320F206和微控制器AT89C55。该仪器利用数字信号处理器TMS320F206PZ实现实时对心电信号进行滤波和心电参数计算;热敏打印心电图形和检测结果;存储病人的心电数据，心电图形的回放打印，与PC机进行数据通主，建立病人的心电数据库，进一步研究分析。
关键词： 心电图； 数字信号处理器； 数据采集； 热敏打印
       数字心电图机除了具备常规心电图机[1]的优点外，还具有自身不可替代的优势。虽然ECG(Electro Cardio Graph)信号可直观地反映人体心脏的工作状况，但由于心电信号本身就很微弱(一般只有mV级)，而在测量时外部干扰(如工频干扰、肌电噪声、呼吸干扰、基线漂移等)严重，所以在采集时具有较大的难度。心电图机记录ECG的方式从技术上可分为两大类：单通道分步记录式和多通道同步记录式。由于受技术条件的限制,以前的心电图机基本属于前者。趋势是由模拟式单通道记录逐渐向数字式12导联同步记录ECG信号发展。开发的数字心电图机技术要求如下：
     (1)具有自动分析功能时，可以对心率等参数进行计算，自动报告心律失常类别。
     (2)数字心电图机的抗干扰能力强，对各种干扰采用数字滤波的方法,大大优于模拟心电图机的性能指标。
     (3)准确度高,实时性好。数字化心电图机采用高速、高精度A/D采集心电数据，将模拟量转换为数字量。
     (4)自动测试分析功能。由于数字化心电图机带有自动分析系统，故其可以具备自动测量和心电图解释功能，可实时提供心率、R-R间期、S-T段等参考数据以辅助诊断。
     (5)心电信息的再现和保存。由于在数字化心电图机中，心电信号经数模转化后成为数字量存放于非易失性存储器中，可随时提取回放，或通过标准接口RS233传送到计算机系统，有利于医务人员对患者进行进一步诊断和心电信息交流。
     (6)友好人机接口界面。操作者可方便地选择各种采集、滤波、打印方式，并可通过液晶显示屏（LCD）显示系统的工作状态，以便随时改变方式或工作状态，获得最佳数据。为了实现上述目标必须对心电图的记录、分析理论和技术进行多方面的研究，重点突破在低成本和低功耗的条件下,实现和满足上述要求的硬件和软件。
2 基于DSP与单片机技术的硬件架构设计
     TMS320F206（以下简称F206）是美国TI公司推出的一种性能价格比较高的定点DSP芯片[2]，全部采用静态CMOS集成工艺制作而成。它以TMS320C2XX为基础，但功耗更低。32 KB闪烁存储器内嵌于DSP中，减小了系统体积，提高了系统稳定性，而且毋需专门的编程器(XDS510仿真器即具有编程功能)，从而减少了开发成本。在本系统中，F206负责数据处理及存储打印等高速实时任务。经实践表明，采用了该设计后充分发挥了F206速度快、精度高的特点，使系统能够达到多通道实时高速同步采样、处理及精度的指标要求。作为整机构成的基础，系统的硬件设计直接影响到整机的性能与价格。为了缩小整机体积并降低功耗，必须在满足系统性能要求的情况下尽可能减少硬件开销。
2.1 系统硬件设计
     为了实现上述功能，将整个心电图机的主体硬件系统分为三块电路板，即放大电路板、电源板和系统板。这样既有利于缩小系统的体积,方便以后的技术升级，同时还使得以后的生产装配更为简便。由于采用了多层印刷电路板和表面贴片封装的集成芯片，使得走线缩短，整机体积减小，从而提高了整机的可靠性。在传统的数字心电图机中[4]，一般采取8051、80C196等普通单片机作为核心部件[2]，由于普通单片机采用的是冯·诺依曼结构，即程序指令和数据共用一个存储空间，指令周期较长，多为微秒级，在实际应用中限制了采样频率及算法的实时性，一般只能对心电信号进行200 Hz或500 Hz采样，且较难做到实时处理。而数字信号处理器(DSP)放弃了冯·诺依曼结构，采用哈佛结构，即将程序指令与数据的存储空间分开，各有自己的地址与数据总线。这就使得处理指令和数据可以同时进行，从而大大提高了处理速度，指令周期多为纳秒级且绝大部分为单周期指令，满足实时信号处理的要求。在具有强大运算能力的同时，DSP处理器在控制处理方面却不如普通单片机，如I/O口线较少，与慢速液晶显示器难以实现“无缝”连接等，而51单片机能弥补这一缺陷。因此，DSP处理器与普通单片机结合，就能各取所长以获得较高的性价比。系统硬件结构框图如图1所示。
     在图1中，8路放大器分别对I、II、V1、V2、V3、V4、V5、V6 8个导联精确放大1 000倍，而III、AVR、aVL、aVF 4个导联的值可由I、II线性求出： III=II-I， aVR=(-I-II)/2,， aVL=(I-III)/2， aVF=(II+III)/2。根据美国心脏联合会公布的标准，ECG信号频率范围为0.05 Hz~100 Hz (3 dB)，由香农取样定理可知，对心电信号的采样频率须至少为200 Hz。但为了获得心电信号更细节的信息，并提高分析精度，以1 000 Hz的高采样率进行采样[6]。这一工作由51单片机完成，当每路信号均采样一点完毕即通过P3.4向DSP发出中断信号INT1，DSP便可进行滤波，打印等工作。双端口RAM用于51单片机与DSP处理器的并行通信。通过2片CPU将采样与处理并行进行，这样可大大提高采样速度及处理能力。MAX232接口电路可用于DSP与PC机串行通信。AT89C55内部具有24 KB的EEPROM程序空间，TMS320F206片内也有32  KB的闪烁存储器供程序存储用[Y8]。但为了在系统研制阶段对DSP系统方便地进行程序调试,还扩展了两片32 K×8 BITS的高速静态RAM(CY7C199)。为了进行仿真及闪烁存储器的编程工作，JTAG接口电路也是必须的。