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,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,已經在通訊、圖像處理、醫療等諸多領域得到了廣泛的應用,而且隨著大規模集成電路技術的發展,其性價比比也有很大的提高。本文介紹一種以 DSP TMS320C32芯片為核心的心電信號實時采集系統。
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已經得到了廣泛的應用,對于心臟疾病的早期預防、實時診斷發揮了較大的作用。分析傳統的心電工作站系統,可以發現如下的特點：1）大多是基于PC機系統,心電信號經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）的數據采集時使用不方便;2）由單片機做成體積小、可以隨身攜帶的儀器,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,對于一些長時間的數據采集或要求較復雜算法的信號處理就無能為力了。
2 系統結構
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個串行口,兩個時鐘,兩個DMA控制信道,優先級可以設置,4級優先中斷,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,數據程序總線的寬度可變,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;
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：
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據及分析診斷結果;
4）有可編程邏輯芯片MACH實現邏輯控制;
5）其它部分,包括LCD圖形點陣式液晶顯示、輸入按鍵。
2．3 信號采集系統
2．3．1 程序及數據存儲器
多路心電信號實時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,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,設計16位的外部存儲器接口,同時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 多路開關和A／D信號采集
經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。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,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（見圖4）實現。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個等效PLD門。在本系統中,MACH負責產生各外設的片選信號、模擬開關的計數控制信號、按鍵的編碼等。
當A1A0給MACH內部的寄存器賦值00時,輸出Q3Q2Q1Q0從0000～1011按12進制計數,模擬開關選擇常規12導心電信號;當A1A0＝01時,輸出Q3Q2Q1Q0從1100～1110按3進制計數,模擬開關選擇3導正交心電信號;當A1A0＝10時,輸出Q3Q2Q1Q0＝1111,模擬開關選擇心率變異信號。
系統設置了4個按鍵,用于功能選擇。由MACH對按鍵實現編碼,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。
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。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,在數據采樣同時,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。DSP的高速特點使得在數據采樣的同時可以進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。采樣的信號通過截止頻率是150Hz的低通數字濾波器,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,跟蹤尋找斜率變化最大的位置,即R波所在的位置。
采樣完畢后,對RR間期進行快速分析,分析方法包括了時域的統計分析、頻域的譜分析,得到多個分析結果顯示在液晶顯示器上。
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、分析能夠實時實現,系統的體積小,便于攜帶,同時有較強的運算能力,將數字濾波、神經網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。同時,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時處理。