多导同步心电图机中的高速实时处理方法

　　在传统的数字心电图机中,一般采取8051、 80C196等普通单片机作为核心部件,由于普通单片机采用的是冯·诺依曼结构,即程序指令和数据共用一个存储空间,指令周期较长,多为微秒级, 在实际应用中限制了采样频率及算法的实时性, 一般只能对心电信号进行200 Hz或500 Hz采样。如某厂家生产的多通道心电图机采用两片 80C196作为双CPU ,仅能实现500 Hz的实时采样频率,且采样精度为10位。为了获得更为丰富的心电信息,则应采用更为先进的硬件平台与方法。数字信号处理芯片(DSP)放弃了冯·诺依曼结构,采用哈佛结构,即将程序指令与数据的存储空间分开,各有自己的地址与数据总线。这就使得处理指令和数据可以同时进行,从而大大提高了处理速度,指令周期多为纳秒级且绝大部分为单周期指令[1~3]。如在我们设计的数字心电图机中采用美国德州仪器公司生产的TMS320F206芯片指令速度高达50 ns,比6 MHz下工作的51单片机快20倍。同时为了适应数字信号处理的需要, 当前的DSP都设置了硬件乘法/累加器,大都能在单个周期内完成乘法/累加运算;为了满足FFT、卷积等数字信号处理的特殊要求,DSP大多在指令系统中设置了循环寻址、“倒序”指令及其它特殊指令,使得在做这些运算时寻址、排序及计算速度大大提高。但是,在具有强大运算能力的同时,DSP 处理器在控制处理方面却不如普通单片机,如I/O 口线较少,与慢速液晶显示器难以实现“无缝”连接等。因此,DSP处理器与普通单片机结合[4],就能各取所长以获得较高的性价比。在我们所设计多导联同步数字心电图机系统中,采用DSP处理器与单片机结合的双CPU结构,达到了预期的目的。

　　硬件设计

　　在我们设计的多导心电图机中,要求实现常规十二导联心电图的同步采集、精确计算与打印,并且全部过程实现实时处理。为此,我们采用DSP处理器与普通单片机结合的双CPU结构:AT89C55作为主CPU,负责键盘、液晶显示器、实时时钟的管理及高速采样;TMS320F206则进行数字滤波、波形打印、参数计算等实时操作。系统硬件框图如图1所示。

　　图1中,8路放大器分别对I、II、V1、V2、V3、V4、V5、V6 8个导联精确放大1000倍,而根据心电图理论可知,III、aVR、aVL、aVF 4个导联是亢余导联,可由I、II线性求出。由AT89C55单片机对各路信号进行1000 Hz采样,每路信号均采样一点完毕即通过口线向DSP发出中断信号INT1,DSP便可进行滤波,打印等工作。双端口RAM用于51机与DSP处理器的并行通讯。通过两片CPU将采样与处理并行进行,这样可大大提高采样速度及处理能力。MAX232接口电路可用于DSP与PC机串行通讯。AT89C55内部具有24 k字节的EEP-ROM程序空间,TMS320F206片内也有32 k字的闪烁存储器供程序存储用。但为了在系统研制阶段对DSP系统方便地进行程序调试,我们还扩展了两片32 k字节的高速静态RAM(CY7C199)。为了进行仿真及闪烁存储器的编程工作,JTAG接口电路也是必须的。