基于DSP的心电监护模块设计

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,我们设计了个有源带滤波器,其中心频率f0=12.687Hz,带宽B=fo/Q=5.629Hz,下限截止频率f1=10.3565Hz;上限截止频率f2=15.9655Hz。标准心电信号通过该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。

3 软件设计

该心电监护模块的软件由两部分组成。一是运行在TMS320F206片内FLASH MEMORY中的系统监控程序,二是运行于PC机端的图形界面用户程序。前者对实时性的要求较高,为提高运行效率,采用TMS320C2XX汇编语言编写,经汇编、链接后在外部程序RAM中调试,调试成功后烧写到TMS320F206的FLASH中。它主要由如下几个功能模块组成：①系统初始化模块。完成RAM、ADS774、中断以及定时器等外初始化设置;②定时采样模块,进行四路信号的分时采集,经预处理后存入数据RAM;③心率、呼吸率计算和体温插值运算模块;④512点心电信号的基2FFT运算模块;⑤异步串行通信模块,实现与PC机之间的通信协议。

下面简要介绍一下心率计算模块的算法。设dR-R是相邻两个R波的间距（即两个R波之间有dR-R个采样点）,由于心电通道的采样率为250Hz,所以250÷dR-R即为一秒钟内R波的个数,60×250÷dR-R即为一分钟内的心跳次数。因此关键在于对R波进行准确定位。算法流程如图4所示。其中F[I]为数据RAM中最新1024个心电信号真,一次运算后,FIFO即被刷新,准备进行下次运算。

图5显示了R波的定位结果,"X"标识出查找到的R波最高点。为了验证这个算法的正确性,我们以BIO-TECH心电信号仿真器产生的标准心电信号作为测试信号,发现它对正常信号和大部异常信号均能准确地测出心率。

4 模块高度过程

整个心电模块的调试过程分三个阶段：①硬件调试,确保DSP板上的各器件均正常工作,这是进行软件调试的基础;②TMS320F206端软件调试,采用模块化方法,对各个功能编写相应子程序,分别调通各个功能模块,然后把这些模块通过接口组装起来,实现整个系统的功能;③图形用户界面GUI软件调试,与TMS320F206的通讯模块调试同时进行,确何数据的正确收发,并在此基础上逐步增加新的功能。

调试结束后,用仿真器的FLASH烧写程序将目标代码通过JTAG口下载到TMS320F206中去,实现整个系统的脱机运行。

本系统已经达到设计任务书规定的要求,但还具有进一步扩展的潜力。软件方面,由于采用模块化设计,可以方便增加新的功能模块,如自相关处理等;在硬件方面,TMS320F206和外围芯片接口逻辑目前是用小模块集成电路实现,今后可改用PLD或FPGA进行编程实现接口逻辑,减少芯片的数据,提高系统的可靠性。