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基于TMS320F206的智能医疗心电监控模块设计方案

作者:不爱吃窝瓜时间:2015-10-17

心电图是诊断心律失常的最可靠的途径,其它临床检查虽然也可以诊断某些心律失常,但是准确率不高。通过观察患者的心电图,其诊断准确率几乎可以达到100%。心电监护模块的功能就是实时地记录下病人的心电波形,并进行自动分析和处理,同时给出相应的结论。

 随着数字信号处理技术和大规模集成电路工艺的发展,单片数字信号处理器的功能越来越强大,价格越来越低,越来越多地被应用到人们生产生活的各个领域。本文介绍一种基于DSP芯片的心电监护模块的解决方案,讨论了它的硬件结构和软件组成。

该心电监护模块是一个以美国德州仪器公司(TI)的TMS320F206为核心的DSP数据采集和处理模块。整个系统安装在一块4层的PCB板上,通过9针RS-232电缆和PC机进行通讯,其原理框图如图1所示。其中所有的输入信号包括ECG1、ECG2(两路心电信号)、TEMPI(体温信号)、RESP(呼吸信号)、LEADOFF(导联脱落检测)、PACE(起博器检测)等均来自心电信号前期模拟处理模块。
 

 

1 TMS320F206简介

TMS320F206(以下简称F206)是TI公司于1996年推出的一种性价比很高的16位定点DSP芯片,运算速度为40MIPS。F206体系采用改进的哈佛结构,将程序存储器和数据存储器的总线分开,以便最大限度地提高处理能力。其可寻址空间为224K字(64K字程序空间,64K字数据空间,64K字I/O空间,32K字全局空间),64K字程序空间中的前32K字可映射到F206片内集成的闪烁存储器(FLASH MEMORY)中,这样可以通过仿真器对F206进行在线的编程和擦写。F206片内具有4级流水线结构,其指令集专门对信号处理中常用的乘-加运算作了优化,支持单周期的乘法/累加指令;支持存储器块搬移指令,以便更好地管理程序和数据;支持基2的FFT位倒序检索寻址。

 除支持高速运算以外,F206还具有众多的片上外设,主要包括:①软件可编程定时器;②用于程序、数据、I/O存储空间的软件可编程等待状态发生器,便于和低速器件接口;③片内振荡器和锁相环(PLL),用于时钟选择×1,×2,×4,÷2;④同步串口,便于和串行CODEC接口;⑤全双工的异步串口,便于和PC机通信。

2 硬件组成

该心电监护模块共有4路输入:两路心电信号ECG1和ECG2、一路体温信号TEMPI、一路呼吸信号RESP,采用分时采样的工作方式。由于呼吸信号和体温信号的频率远小于心电信号的频率,在确定采样率时就以心电信号为基准。经验表明,在做常规心电图时,要求系统的带宽为100Hz左右,根据Nyquist采样定理,采样频率必须不低于200Hz。考虑到一定的工作裕量,每个工作通道的采样率取250Hz,这样对4个通道而言,总的工作频率为1kHz。通道切换的工作由一片双向模拟开关CD4051来实现,将C、B、A控制端连接到TMS320F206的三根地址线上,通过I/O指令打开相应的模拟通道,进行信号的采样。

信号的采样和量化工作由一片ADS774完成。ADS774是美国Burr-Brown公司生产的12位逐次逼近型并行A/D转换器,典型转换时间为8.5μs,并且有多种工作方式可供用户选择。在本心电模块中我们选用了直通 throughout 模式,仅用两根控制线R/C和STATUS与TSM320F206接口,其工作原理和时序如图2所示。
 


 
TMS320F206通过指令在XF引脚上产生一个宽度大于25ns的低电平脉冲,启动ADS774进行一次转换。启动后ADS774的STATUS引脚变为高电平,转换结束后ADS774数据线上的数据有效,此时其STATUS引脚跳变回低电平,通过这个电平跳变触发TMS320F206的INT1外部中断,将12位转换数据读入数据存储器。

由于TMS320F206片内的数据存储空间有限,为保存大量的采样数据和运算的中间结果,需增加外部数据存储器;同时为了在调试程序时能够设置断点和进行单步操作,也需要增加外部程序存储器。我们采用了4片日立公司的8位SRAM HM62256-10,两两组成16位的程序存储器和数据存储器,分别用F206的PS和DS信号进行片选。HM62256-10的典型存取时间为100ns,而TMS320F206的指令周期为50ns。为节省硬件等待电路的开支,利用了TMS320F206片内的可编程软件等待状态发生器产生两个等待状态,从而满足存储器的操作时间要求。利用TMS320F206片上集成的全双工异步串口,可以实现心电模块和PC机的通信。但是RS232电平和TTL电平不兼容,我们使用了一片电平转换芯片MAX202,它采用+5V单电源供电,使用时只需加几个电容,便能完成两种电平的转换。为防止数据在传输过程中受到干扰,在输入输出端都加上光电耦合器。

R波的精确定位是心电监护模块的一个重要功能,它关系到后面进行心率计算及心律失常分析结果的正确性。一个正常人完整的的心电波形由P、Q、R、S、T五个部分组成,其中R波和T波的幅值相对较高。心率计算通常是根据心电波形中R波的间距来推算得到。但在少数异常波形中,T波的幅值会超过R波,如果把T波误判为R波来进行心率计算,则会产生很大的误差。通过对大量的心电信号进行频谱分析,发现R波通常位于0~33Hz的频率范围内,而T波位于0~9Hz的频率范围内。为了在心率计算时消除T波可能引起的干扰,我们设计了一个有源带通滤波器,其中心频率f0=12.867Hz,带宽B=f0/Q=5.629Hz,下限截止频率f1=10.3565Hz;上限截止频率f2=15.9855Hz。标准心电信号通过该带通滤波器前后的波形如图3所示。可以看出,频率相对较低的T波有很大的衰减而R波基本保持不变。



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