基于DSP技术的心电工作站系统

　　5）增加了两种节电运行方式,低功耗。

　　2．2　系统主要设计指标

　　下面是以DSP为核心的心电数据采集系统的设计框图,如图1所示,主要包括以下特点：

　　1）多通路信号采样,可控制模拟多路开关采集16路信号,包括12路常规心电信号ECG、3路正交信号CMP和1路心率变异信号HRV;

　　2）A／D采样频率为16 kHz,分辩率为12 bit,转换精度高,线性误差为1／2 LSB;

　　3）大存储容量。1 Mb的存储空间,能够存储多路长时心电数据及分析诊断结果;

　　4）有可编程逻辑芯片MACH实现逻辑控制;

　　5）其它部分,包括LCD图形点阵式液晶显示、输入按键。

　　2．3　信号采集系统

　　2．3．1　程序及数据存储器

　　多路心电信号实时采集的数据量比较大,10 s的常规12路ECG信号有240 k字节的数据量。系统选用大容量的快速闪存作为存储器。C32允许可变宽度的外部存储器接口,用作数据存储时,宽度可以是8／16／32位,用作程序存储时,宽度可以是16／32位,因此,设计16位的外部存储器接口,同时用于存放应用程序和数据,两片Atmel27F080构成1Mb×16的存储器,采用16位的存储器接口方式,减小了系统的体积。Atmel 27F080的数据存储时间是70 ns,符合快速接口的要求,允许任意位置数据的存储、擦除,与DSP的连接如图2所示。

　　DSPC32的内部RAM是512字,为增强其算法处理能力,外部扩展了32 kb的高速SRAM,由4片ISSI61C256－15构成,其存储速度是15 ns。

　　2．3．2　多路开关和A／D信号采集

　　经放大后的多路心电信号通过多路模拟开关后输入到A／D转换器,进行时分多路的信号采样。多路开关选用Max336 16路选1的开关。设计信道1～12用作12路常规心电信号输入,信道13～15用作3路正交信号的采集,信道16用作心率变异信号输入。具体采集时由DSP控制逻辑器件确定所要采集的通路。

　　A／D转换由Max196完成。Max196能实现12bit模数转换,单5 V供电,内部有参考电压Vref转换电路,支持±10 V、±5 V、0～10 V、0～5 V的电压转换范围,由控制字确定输入信号的范围,A／D转换的速率可达100 ksps,具有低功耗的工作方式,输入输出引脚全部三态,与微处理器的接口简便,如图3所示。

　　DSP往其写控制字启动A／D转换,A／D转换结束后,产生Int信号,连到DSP的Int1上,产生外部中断,DSP读取转换结果。系统的采样频率是16k,DSP的指令周期是50 ns,因此,在两次转换的间期,DSP有充足的时间进行数据处理,包括数据滤波、存储等。

　　2．3．3　MACH逻辑控制部分

　　系统的逻辑控制由MACH4 64／32（见图4）实现。MACH4 64／32是Vantis公司的第二代高密度、电可擦除、CMOS PLD器件,逻辑容量相当于1250个等效PLD门。在本系统中,MACH负责产生各外设的片选信号、模拟开关的计数控制信号、按键的编码等。

　　当A1A0给MACH内部的寄存器赋值00时,输出Q3Q2Q1Q0从0000～1011按12进制计数,模拟开关选择常规12导心电信号;当A1A0＝01时,输出Q3Q2Q1Q0从1100～1110按3进制计数,模拟开关选择3导正交心电信号;当A1A0＝10时,输出Q3Q2Q1Q0＝1111,模拟开关选择心率变异信号。

　　系统设置了4个按键,用于功能选择。由MACH对按键实现编码,确定按键代码D1D0,同时,产生按键中断信号连到DSP的Int2引脚上。

　　3　心电工作站的心率变异性分析

　　心率变异性（HVR）分析目前在临床研究中受到了普遍的重视,已成为心血管疾病及心电生理研究的热点。一般处理方法是采集短时（520点）或长时（24 h）心电信号R波的间期,从多个信号处理的角度进行分析,给出关键参数。本系统对心率信号采集处理的流程如图5所示。

　　系统设置包括设置采样频率fs＝1 kHz,模拟开关选择第16路。由于HRV分析的对象是心电波形的RR间期,在数据采样同时,就对波形的R波进行定位,找到R波位置,计算出相邻R波的间隔RR间期后存储。DSP的高速特点使得在数据采样的同时可以进行较为复杂的信号处理,比较准确地找到R波的位置。具体采用了如下措施：

　　1）数字滤波。采样的信号通过截止频率是150Hz的低通数字滤波器,实时滤除高频的干扰信号。

　　2）采用斜率跟踪的方法确定R波的位置。事先确定一个阈值,当采集波形的斜率变化超过阈值时,跟踪寻找斜率变化最大的位置,即R波所在的位置。

　　采样完毕后,对RR间期进行快速分析,分析方法包括了时域的统计分析、频域的谱分析,得到多个分析结果显示在液晶显示器上。

　　4　结束语

　　本文设计的以DSP320C32芯片为核心的心电工作站系统,使得多路心电信号的采集、分析能够实时实现,系统的体积小,便于携带,同时有较强的运算能力,将数字滤波、神经网络等方法增加到分析程序中,将大大提高处理能力与诊断的准确性。同时,适当改变程序（如输入信号信道的定义）和分析程序等,还可使本系统用于其它的生理信号实时处理。