一種心電工作站系統(tǒng)設計和實現(xiàn)

出處：微電子學報發(fā)布于：2011-06-12 22:19:31

　　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)得到了廣泛的應用,對于心臟疾病的早期預防、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機進行分析處理,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）由單片機做成體積小、可以隨身攜帶的儀器。

　　如何將PC系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)空間、高運算能力與單片機的小型化結合起來,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)療等諸多領域得到了廣泛的應用,而且隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展,其性價比比也有很大的提高。

　　數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，簡稱DSP）是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術應運而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學技巧執(zhí)行轉換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領域得到極為廣泛的應用。德州儀器、Freescale等半導體廠商在這一領域擁有很強的實力。

　　DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或實際環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是值得稱道的兩大特色。

　　2　系統(tǒng)結構

　　2．1　TMS320C32特點

　　TMS320C32是美國TI公司浮點C3X系列DSP器件的新一代產品,它針對C30和C31進行了簡化和改進,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,強大的指令系統(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,內部中斷矢量表地址可復位,程序引導可由芯片內部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)主要設計指標

　　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,轉換高,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。

基于DSP技術的心電工作站系統(tǒng)

　　2．3　信號采集系統(tǒng)

　　2．3．1　程序及數(shù)據(jù)存儲器

　　存儲器（Memory）是計算機系統(tǒng)中的記憶設備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。計算機中全部信息，包括輸入的原始數(shù)據(jù)、計算機程序、中間運行結果和終運行結果都保存在存儲器中。它根據(jù)控制器指定的位置存入和取出信息。有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常工作。按用途存儲器可分為主存儲器（內存）和輔助存儲器（外存），也有分為外部存儲器和內部存儲器的分類方法。外存通常是磁性介質或光盤等，能長期保存信息。內存指主板上的存儲部件，用來存放當前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，但僅用于暫時存放程序和數(shù)據(jù)，關閉電源或斷電，數(shù)據(jù)會丟失。

　　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。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　多路開關和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后輸入到A／D轉換器,進行時分多路的信號采樣。多路開關選用Max336 16路選1的開關。具體采集時由DSP控制邏輯器件確定所要采集的通路。

基于DSP技術的心電工作站系統(tǒng)

　　A／D轉換由Max196完成。Max196能實現(xiàn)12bit模數(shù)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便,如圖3所示。

　　在多路數(shù)據(jù)傳送過程中，能夠根據(jù)需要將其中任意一路選出來的電路，叫做數(shù)據(jù)選擇器，也稱多路選擇器或多路開關。有4選1數(shù)據(jù)選擇器、8選1數(shù)據(jù)選擇器（型號為74151、74LS151、74251、74LS151）、16選1數(shù)據(jù)選擇器（可以用兩片74151連接起來構成）等之分。

　　DSP往其寫控制字啟動A／D轉換,A／D轉換結束后,產生Int信號,連到DSP的Int1上,產生外部中斷,DSP讀取轉換結果。系統(tǒng)的采樣頻率是16k,DSP的指令周期是50 ns,因此,在兩次轉換的間期,DSP有充足的時間進行數(shù)據(jù)處理,包括數(shù)據(jù)濾波、存儲等。

基于DSP技術的心電工作站系統(tǒng)

　　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,邏輯容量相當于1250個等效PLD門。在本系統(tǒng)中,MACH負責產生各外設的片選信號、模擬開關的計數(shù)控制信號、按鍵的編碼等。

　　系統(tǒng)設置了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,產生按鍵中斷信號連到DSP的Int2引腳上。

基于DSP技術的心電工作站系統(tǒng)

　　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。一般處理方法是采集短時（520點）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行分析,給出關鍵參數(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)設置包括設置采樣頻率fs＝1 kHz,模擬開關選擇第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。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,當采集波形的斜率變化超過閾值時,跟蹤尋找斜率變化的位置,即R波所在的位置。

　　4　結束語

　　本文設計的以DSP320C32芯片為的心電工作站系統(tǒng),使得多路心電信號的采集、分析能夠實時實現(xiàn),系統(tǒng)的體積小,便于攜帶,同時有較強的運算能力,將數(shù)字濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡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?！?/CLK>

關鍵詞：一種心電工作站系統(tǒng)設計和實現(xiàn)

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