1、第20卷第3期重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2003年6月V ol.20N o.3JOURNA L OF CT BU(Nat.Scien.Edit.Sep.2003文章編號(hào):1672-058X(200303-0021-04基于DSP的心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)李建鋒,何為,楊浩(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院,重慶400044摘要:介紹了一個(gè)以DSP芯片為核心的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了DSP代替PC,系統(tǒng)體積小,并具有較大容量的存儲(chǔ)能力,而且采用了混沌的分析方法分?jǐn)?shù)維值(FD對(duì)信號(hào)進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞:心電監(jiān)護(hù);DSP;主從式結(jié)構(gòu);FD分析中圖分類號(hào):TP274+11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A目前,以采集心電信號(hào)、分析和診斷為

2、主的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,對(duì)于心臟系統(tǒng)疾病的預(yù)防、診斷發(fā)揮了比較大的作用。分析現(xiàn)階段的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)90%以上的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)(主要是H olter、無(wú)線心電遙測(cè)都具有如下的特點(diǎn):通常采取前后端的結(jié)構(gòu),前端是以單片機(jī)為核心的心電采集系統(tǒng),后端是以PC為核心的處理系統(tǒng),兩者之間通過(guò)插卡或者通信端口來(lái)進(jìn)行通信。然而,隨著醫(yī)遼設(shè)備向小型化和便攜化的發(fā)展,PC和顯示器相對(duì)而言體積比較大,對(duì)于一些特定的場(chǎng)合(如病人床邊、家中是很不方便的。如何把PC的強(qiáng)大運(yùn)算能力和存儲(chǔ)能力與小型化結(jié)合起來(lái),DSP器件提供了良好的解決方案。DSP器件是為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的高性能處理器件,已廣泛用于雷達(dá)、語(yǔ)音

3、、通信、圖像處理、生物醫(yī)學(xué)儀器等方面。隨著V LSI(大規(guī)模集成電路的發(fā)展,其性價(jià)比得到了很大的提高。而且LC D的發(fā)展也很迅速,性價(jià)比也得到了很大的改善,完全可以取代顯示器。在此介紹一種以T MS320VC5402和小型LC D代替PC和顯示器的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.1T MS320C5402的特點(diǎn)T MS320C5402是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的定點(diǎn)C54X X系列DSP器件中的一種通用性芯片,具有如下的特點(diǎn):(1用先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu),有1個(gè)程序總線、3個(gè)數(shù)據(jù)總線、4個(gè)地址總線;(2采取流水線結(jié)構(gòu),絕大部分指令是單周期指令,指令周期最快能達(dá)到10ns;(3有較大的存儲(chǔ)空間,其中包括64K的數(shù)

4、據(jù)空間, 64K的I/O空間,可以擴(kuò)展到1M的程序空間;(4豐富的片內(nèi)外設(shè),有軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器和可編程塊切換、1個(gè)8位的HPI接口、2個(gè)可復(fù)用緩沖串口、2個(gè)硬件定時(shí)器、1個(gè)DMA控制器等;(5指令豐富,特別適合于信號(hào)處理。1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用主從式的設(shè)計(jì)方法。以MSC51為核心的心電采集系統(tǒng)構(gòu)成主機(jī),以DSP為核心的分析處理系統(tǒng)構(gòu)成從機(jī)。主從機(jī)之間通過(guò)雙口RAM以共享存儲(chǔ)器的方式進(jìn)行通信。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)工作原理:主機(jī)采集心電數(shù)據(jù)送到從機(jī),從機(jī)通過(guò)LC D顯示心電波形,并對(duì)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,顯示分析結(jié)果。收稿日期:2003-02-14;修回日期:20

5、03-05-10作者簡(jiǎn)介:李建鋒(1977-,男,湖北天門(mén)人,碩士,主要從事的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究。 圖1系統(tǒng)總體框圖圖2心電采集系統(tǒng)1.3心電采集系統(tǒng)心電采集系統(tǒng)如圖2所示,主要由前置放大、高通濾波、50H z 陷波、低通濾波、主放大、A/D 及單片機(jī)組成。圖3心電信號(hào)前置放大器(1前置放大。由于心電信號(hào)比較微弱,很容易受環(huán)境干擾,前置放大一般采用三運(yùn)放儀表放大器,這里使用了ADI 公司生產(chǎn)的儀表放大器AD620作為前置放大器的核心器件。AD620具有輸入阻抗高、共模抑制比高的特點(diǎn),可以滿足心電放大的要求。電路如圖3所示。為了進(jìn)一步提高整個(gè)電路抗共模干擾的能力,還采取了屏蔽驅(qū)動(dòng)和右腿驅(qū)動(dòng)兩項(xiàng)措

6、施。見(jiàn)圖3,通過(guò)兩個(gè)阻值相等的電阻R4、R5可取出共模輸入電壓于R4、R5的結(jié)點(diǎn),此電壓經(jīng)集成運(yùn)放T LC2252跟隨后加到導(dǎo)聯(lián)線的屏蔽層,實(shí)現(xiàn)屏蔽驅(qū)動(dòng);與此同時(shí),共模電壓經(jīng)另一運(yùn)放和R6、R7、C3等組成的反相放大電路放大后經(jīng)R8加到右腿上,實(shí)現(xiàn)右腿驅(qū)動(dòng)。屏蔽驅(qū)動(dòng)的原理在于使左、右手導(dǎo)聯(lián)線與屏蔽層之間的分布電容兩端具有相同的共模干擾電壓,限制了共模干擾在分布電容中的分流,從而提高了共模輸入阻抗。右腿驅(qū)動(dòng)是通過(guò)電路的共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋將共模干擾抵消。采用這兩項(xiàng)措施顯著改善了前置級(jí)的共模抑制能力。(2高通濾波和低通濾波。前置放大器輸出的信號(hào)并不是純粹的心電信號(hào),其中除了夾雜著不少的工頻干擾外,還

7、有可觀的直流或低頻分量。這往往來(lái)自于電極極化電壓的不平衡,前置放大器的失調(diào)漂移,以及人體的活動(dòng)等因素。這不僅會(huì)引起心電信號(hào)的基線漂移,也不利于后續(xù)電路的處理,所以必須加上一個(gè)截止頻率為0.03H z 的高通濾波器(心電信號(hào)的下限為0.05H z 。由于近年來(lái)電源的諧波污染越來(lái)越嚴(yán)重,所以工頻干擾信號(hào)中除了50H z 基波頻率分量外,還有較多的100H z 、150H z 等諧波頻率分量,這些頻率分量經(jīng)50H z 陷波后仍然存留于心電信號(hào)中。另一方面,心電信號(hào)中還混有較高頻率的肌電干擾以及開(kāi)關(guān)電容濾波帶來(lái)的開(kāi)關(guān)噪聲。所以在50H z 陷波之后設(shè)置一級(jí)低通濾波器是必要的。(350H z 陷波器。盡

8、管前置放大電路具有較高的共模干擾抑制能力,但正如前面所討論的那樣,有些工頻干擾是以差模形式進(jìn)入放大器的;還由于包含電極在內(nèi)的輸入回路的不穩(wěn)定等因素,所以前置放大電路輸出的心電信號(hào)中仍然不可避免地混有較強(qiáng)的工頻干擾。解決的方法是用50H z 陷波器將工頻干擾濾掉。通常是用集成運(yùn)放、電阻、電容來(lái)構(gòu)成有源RC50H z 陷波器。但理論分析和實(shí)際測(cè)試都表明,有源RC50H z 陷波器的頻率特性對(duì)電路元器件參數(shù)的靈敏度較高,使得電路的調(diào)試難度較大,同時(shí)穩(wěn)定性不高。為克服這一缺點(diǎn),采用了美國(guó)凌特有限公司(Linear T echnology C orporation Ltd.的LT C1068-50集成開(kāi)

9、關(guān)電容濾波器來(lái)構(gòu)成50H z 陷波器(圖4,取得了較好的效果。(4A/D 轉(zhuǎn)換和單片機(jī)。A/D 轉(zhuǎn)換由T LV1549實(shí)現(xiàn)。設(shè)定采樣速率為1000H z/s ,采樣精度為10位。T LV1549是TI 公司生產(chǎn)的10位串行A/D 轉(zhuǎn)換器,采樣率為38ksps ,可以滿足設(shè)定條件。T LV1549由C MOS 工藝制成,3.3V 供電,功耗低。由于采用串行方式與單片機(jī)接口,大大減少了引腳數(shù)目,占用體積小。而且使用十分方便,將其串行接口與單片機(jī)的I/O 口線相連,模擬出芯片所要求的時(shí)序就可以正常工作。1.4主從機(jī)通信主機(jī)和從機(jī)通過(guò)雙端口RAM (I DT 7024交換信息。I DT 7024是I

10、DT 公司生產(chǎn)的高速4K ×16位SRAM ,C MOS 工藝制造,與TT L 電平兼容,有兩個(gè)獨(dú)立的控制、地址和I/O 口,允許同時(shí)讀同一存儲(chǔ)區(qū)或者同時(shí)寫(xiě)22重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第20卷 圖450H z 陷波器不同的存儲(chǔ)區(qū),而且I/O 口可以配置成8位或者16位,特別適合于8位微處理器和16位微處理器接口;由單+5V 電源供電,故一端可以和單片機(jī)直接接口,而由于T MD320C5402由3.3V 和1.8V 供電,信號(hào)高電平為3.3V ,故和I DT 7024另一端接口時(shí),數(shù)據(jù)總線必須得加上3.35V 電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC16245A 。主機(jī)與從機(jī)通過(guò)中斷的方式來(lái)握手,當(dāng)

11、主機(jī)把數(shù)據(jù)存入I DT 7024后,主機(jī)寫(xiě)地址FFFh (如果主機(jī)占用I DT 7024的左口,從機(jī)占用右口,右口就會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào),從機(jī)響應(yīng)中斷,從機(jī)通過(guò)訪問(wèn)地址FFFh (讀寫(xiě)皆可就可以清除中斷,然后從機(jī)就可以取出數(shù)據(jù)。同理,從機(jī)向主機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí),也是如此,只是地址改為FFEh 。1.5從機(jī)系統(tǒng)心電信號(hào)分析的一個(gè)特點(diǎn)就是數(shù)據(jù)量大,要比較正確的診斷一個(gè)病人的病況,必須采集510min 的數(shù)據(jù)。由上面設(shè)定的采樣率可以計(jì)算出需要300600K 字(16位的存儲(chǔ)空間。5402內(nèi)部有16K 字的SRAM ,可以配置成數(shù)據(jù)區(qū)或者數(shù)據(jù)區(qū)和程序區(qū),但對(duì)于程序和數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)都是不夠的,故把它配置成數(shù)據(jù)區(qū),用做臨時(shí)變

12、量的空間。利用兩片F(xiàn)lash Mem ory SST 39VF800來(lái)擴(kuò)展外部程序空間到1M 。SST 39VF800是512K ×16的閃存,供電電壓+3.3V ,讀周期7090ns ,在和DSP 接口時(shí),必須在程序中插入等待周期。在設(shè)計(jì)中把低64K 字作為程序存儲(chǔ)區(qū),程序空間的高64K 字以上的地址空間用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這就可以滿足存儲(chǔ)空間的要求。由于寫(xiě)SST 39VF800必須寫(xiě)控制字,故程序不適合在其中運(yùn)行。為了增強(qiáng)從機(jī)系統(tǒng)的處理能力和速度,外部又?jǐn)U展了64K 的SRAM ,由一片CY 7C1021構(gòu)成,作為程序空間,而且由于寫(xiě)Flash mem ory 控制字的地址在低64位,

13、故把它配置在程序空間的高64K 。CY 7C1021是C MOS 工藝制造,3.3V 供電電源,12ns 的訪問(wèn)時(shí)間,非常適合擴(kuò)展DSP 的外部存儲(chǔ)器。圖5DSP 與存儲(chǔ)器的接口1.6DSP 和存儲(chǔ)器的接口在從機(jī)系統(tǒng)中由于擴(kuò)展了一些外圍存儲(chǔ)器芯片,它們都又有各自的片選和讀寫(xiě)控制邏輯,為了正確的對(duì)各個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行正確的訪問(wèn),因此有必要對(duì)這些存儲(chǔ)器進(jìn)行惟一的片選和讀寫(xiě)控制。在這里采用雙列直插的G A L16V8D代替常用的邏輯門(mén)來(lái)對(duì)這些芯片進(jìn)行片選和讀寫(xiě)控制,如圖5所示。G A L16V8D 是一種門(mén)陣列芯片,可以由設(shè)計(jì)者自己定義輸入輸出的邏輯關(guān)系,在調(diào)試電路時(shí)可以根據(jù)需要來(lái)改變邏輯編程簡(jiǎn)單而且靈活

14、。由于G A L16V8D 的供電電壓為5V ,其輸入高電平可以為3.3V ,但輸出高電平為5V ,因此不適合和3.3V 的存儲(chǔ)器直接接口,必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,利用OC 門(mén)(open -collector 可以實(shí)現(xiàn),當(dāng)然采用LVC 系列的芯片也是可以實(shí)現(xiàn)的(如前所敘。電路接口如圖3,DSP 的控制信號(hào)由G A L 譯碼輸出,G A L 的輸出作為7407的輸入,7407的輸出接3.3V 的上拉電阻就可以把輸出高電平限制在3.3V ,再作為片外存儲(chǔ)器的片選和讀寫(xiě)控制的輸入。4個(gè)片外存儲(chǔ)器的片選關(guān)系為:A19(高和MSTRB 用來(lái)片選CY 7C1021,A19(低、MSTRB 和XF (高選擇Fla

15、sh1,A19(低、MSTRB 和XF (低選擇Flash2,與從機(jī)系統(tǒng)通信的雙口RAM 配置在64K 數(shù)據(jù)區(qū)的高端,由MSTRB 、DS 和A15來(lái)進(jìn)行片選。讀寫(xiě)由DSP 的R/W 口線來(lái)控制。2信號(hào)分析心電圖的定量測(cè)定表明,正常的和病態(tài)的心臟都有其突出顯著的動(dòng)力學(xué)特征。哈佛醫(yī)學(xué)院的G old 2berger 在作了深入研究后認(rèn)為,健康的心臟具有一定量的固有可變性,它對(duì)應(yīng)著混沌狀態(tài),心電信號(hào)也是32第3期李建鋒等:基于DSP 的心電臨護(hù)儀的設(shè)計(jì)42重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第20卷一種混沌信號(hào)。因此,許多學(xué)者嘗試用非線形動(dòng)力學(xué)的方法進(jìn)行研究,并且取得了一定的成果。本設(shè)計(jì)中也應(yīng)用其中的一種方

16、法FD分析(分?jǐn)?shù)維值分析來(lái)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行分析,同時(shí)也進(jìn)行了傳統(tǒng)的ST 段分析,以期對(duì)病人的病情做盡可能全面、比較準(zhǔn)確地反映。限于篇幅,就不對(duì)這兩個(gè)算法加以說(shuō)明了。DSP芯片固有的特性使得它特別適合于微型系統(tǒng)中的算法處理,其集成式開(kāi)發(fā)軟件CCS支持C/C+,使得在DSP中算法的實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)同樣容易。3結(jié)束語(yǔ)該心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng),使得心電信號(hào)的采集、分析能夠集成于一體,而且系統(tǒng)體積小,便于攜帶,適合于家庭醫(yī)療,具有較強(qiáng)的分析能力和一定的推廣價(jià)值。當(dāng)然這個(gè)系統(tǒng)還是不夠完善,還可以作如下改進(jìn):結(jié)合其他一些分析方法,增強(qiáng)系統(tǒng)的分析可靠性;采用浮點(diǎn)DSP,提高處理能力和精確度;增加網(wǎng)絡(luò)模塊,可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送病人

17、數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。參考文獻(xiàn):1李剛.數(shù)字信號(hào)處理器的原理及開(kāi)發(fā)應(yīng)用M.天津:天津大學(xué)出版社,20002寧新寶.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)M.長(zhǎng)沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,19853J E ONGJ,KI M S Y,H AN S H.N on-linear dynamical analysis of the EEG in Alzhermers disease with optimal embedding dimensionM.E lectroenceph Clin Neurophysiol,1998,106:220-2284OS BOME A R,PROVE NZ A LE A.Finite correlation dimension for stochastic systems with power-law spectraM.Physica D,1989A Design of ECG system based on DSPLI Jian2feng,HE Wei,Y AN G Hao(C ollege of E lectrical Engineering,Chongqing University,Chongqing400044,ChinaAbstract:This paper introduces an ECG system which is based on digital sign