基于T M S 320F 2812可调参数心电信号发生器的设计方案袁雪尧(大连理工大学电子与信息工程学院,辽宁大连116023)摘 要:文章介绍了一种基于心电信号动力学模型的全数字信号发生器的设计方案。
给出了一种用DSP 2812器件产生心电信号的硬件实现框图。
该电路主要由DSP ,CPL D 以及DA C 等器件组成,结合A D 620为主的后置放大电路进行信号的采集,可通过外部按键输入,改变程序参数来产生不同情况的心电信号波形显示于上位机,并由M A T L A B 仿真验证波形的正确性。
关键词:心电信号;数字信号处理器;复杂可编程逻辑器件中图分类号:T P3文献标识码:B 文章编号:CN 32-1289(2010)02-0059-04Base on TMS 320F 2812of ECG Generator AdjustableParameter Design ProgramYUA N X ue -y ao(Electro nic and Infor mation Engineer ing Institute of D alian T echno lo gy U niv ersity ,D alian 116023,China )Abstract :Firstly ,a all -dig ital sig nal g enerator desig n w as introduced based on ECG dynam icmodel to generate the ECG sig nal .A DSP 2812device to g ener ated ECG circuit structur e w aspr esented.The circuit is m ainly co mpo sed o f the DSP,CPLD,DAC devices,and acquires signalby the pream plifier circuit with AD620as the main amplifier.T hrough the ex ternal key thepr ogram par ameters g ener ate a variety of ECG w avefo rms .T he sim ulation result sho ws that thew aveform s are co rrect .Key words :ECG;DSP;CPLD心电信号发生器是一种常用的低频信号源,广泛应用于医疗仪器的测试、维修、演示和科学实验等领域。
目前使用的心电信号发生器大部分是进口的,价格昂贵,而国内生产的大都由分立元件组成,其体积大,功能少[1]。
为了医疗工作的需要,我们设计了一种用TM S 320F 2812芯片和数模转换芯片等器件构成的心电信号发生器,是可以很好地为医护人员提供训练的模拟仪器。
1 心电信号算法1.1 心电图 心电信号是一种随时间变化的信号,主要反映引起心脏的纤维收缩并随后放松的离子电流运动。
一个 第31卷第2期 2010年6月军 事 通 信 技 术Jour nal o f M ilita ry Co mmunicatio ns T echno lo gy V ol.31N o.2Jun.2010 收稿日期:2010-02-18;修回日期:2010-05-20作者简介:袁雪尧(1987-),男,硕士生.正常的ECG 循环代表一次心跳连续的心房去极/复极和心室去极/复极的过程。
图1所示是一种正常的ECG 波形图。
其中P 、Q 、R 、S 和T 用于表示ECG波形的波峰和波谷。
图1 正常ECG 波形1.2 心电信号算法M cShar ry PE 和Cliffor d GD 等人提出的心电信号动力学模型[2],可以采用C 语言编程,并以四阶Runge -Kutta 迭代算法为主来实现基于以上微分方程组的心电信号动力学模型。
该算法所涉及的FFT 运算需要进行大量的加法和乘法运算,若以单片机为核心,则其乘法运算的速度较慢,不能满足系统对实时性的要求。
而DSP 则具有专门的乘法器,因此,以DSP 为主构成的系统能满足系统设计的需要。
图2所示是一种心电信号算法的实现流程图。
图2 心电信号算法实现流程图2 总体硬件设计本设计所要实现的是面向医学模拟人的DSP 嵌入式系统,该系统所要产生的心电信号的技术指标是:信号频率为0.05Hz ～200Hz ,相位精度为1/100,频率精度为99.9%,信号峰峰值在100mV 下的D /A 转换幅值精度为0.01mV 。
为了满足各种类型心电信号的实时产生要求,同时为了使结构小巧紧凑,以较好地适应模拟心脏的结构特点,笔者构建了基于DSP 技术的硬件平台。
图3所示是心电信号发生器的整体硬件框图。
图3中,基于动力学模型的心电信号由DSP 处理器产生,其产生的心电信号输出数据是随时间离散的数字信号,可通过数模转换器来完成数模转换,从而实现输出随时间连续变化的模拟信号。
同时利用CPLD 编程灵活,延时可预测等优点实现DSP模块图3 心电信号发生器整体硬件框图的存储器地址译码,以及对键盘与液晶模块的扩展。
扩展的外部按键输入可实现对心电信号参数的调整,从而实现不同心电波形的输出。
液晶部分用于显示调整后的心电信号信息。
3 DSP 模块设计选择DSP 处理器主要考虑其运算速度和性价比。
该处理器需进行实时心电信号的产生和调整,而且在实现心电算法的过程中需进行FFT 运算,该变换需进行大量的加法和乘法运算,同时为了适应对波形的实时调整,根据实际的应用要求,可选用TI 公司TMS320F2812。
该DSP 芯片的工作频率为100MHz ,内部具有128k ×16bit 的片内FLASH ,利用烧写操作可以方便的固化用户程序。
片内内置18k ×16bit 的片内SRAM ,采用先进的哈佛修正结构,在一个机器周期内可完成一次乘法和一次加法运算。
此外,该芯片还具有高度专业化的指令系统,同时具有功耗小、处理速度快等优点[3]。
60军 事 通 信 技 术2010年 3.1 基于DSP 的心电信号实时性与精度分析基于该动力学模型所得到的心电信号算法需进行FFT 运算,一个正常的心电信号周期可用N =130个点来模拟,故需进行130点复数的FFT 运算,其中N 点复数的FFT 运算约做2N ×log N 2次实数乘法运算和3N ×log N 2次实数加法运算,且TMS 320F 2812的指令执行周期为10ns ,若取N =130且不计内存访问和其它时间,则一个心电信号周期中的FFT 运算所需的时间为:10×390×10ns 约0.039ms ,此时的相位精度为1/130。
提高N 值可提高波形的相位精度,但同时会降低信号产生速度。
同时在心电信号算法中,模拟心电信号波形的每个点间的步进时间t 为7.6923×10-3秒,则一个周期为0.999999s ,这样,产生的心电信号频率精度可达99.9999%。
由上述分析可知,该DSP 处理器可以满足硬件系统对产生心电信号精度与实时性的要求。
3.2 D /A 转换数模转换器需要完成的是把DSP 芯片产生的、随时间离散的数字信号转换成随时间连续变换的模拟信号。
心电信号转换精度主要应考虑的是模拟S -T 段异常情况下的波形变换特点,由于心电信号发生器产生的心电信号值为实际体表测值的10倍公认的实际体表S -T 段的电平变化0.05mV ,则模拟产生心电信号的S -T 段的变化值为0.5mV 。
根据美国心脏学会AHA 标准和Nyquist 采样定律,当信号采样频率等于或大于信号最高频率的2倍时,就可以从抽样后的信号中不失真的还原出原信号,因此,本系统中的D /A 转换精度应大于0.25mV 。
基于以上要求,同时考虑到TMS320F2812的输出数据为16位,本设计选用美国AD 公司的AD7846,该数模转换器具有在全温度范围内的16位电压输出,工作温度范围-40°C ～+85°C ,心电信号发生器输出的峰峰值为100mV ,分辨率为100/65536。
3.3 后置放大后置放大是最关键的环节,直接关系到整个系统数据产生的成功与否。
所以,放大电路的设计和调试是最复杂和重要的。
由于心电信号十分微弱,噪声背景强且信号源输入阻抗大,再加上50Hz 工频干扰等因素,通常要求后置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移等性能,设计时一般采用差模输入。
本电路使用的AD620A 是一款低价格、高精度的仪用放大器,共模抑制比可达130dB ,是生物放大器设计中的经典之作,其增益可调,由公式G =1+49.4(k /kg )来计算。
本电路参考了AD 620A 的技术文档,并加以改进,可以检测0.5mV ～0.05mV 的电平变化,试验表明后置放大10倍左右效果最好。
4 CPLD 模块4.1 键盘和液晶显示 为了能对产生的心电波形进行常识性的观察,本系统采用普通的带背光的蓝屏12864来对心电信号参数进行显示,同时配合按键来控制信号的产生和调整。
在通过CPLD 对键码进行识别后,可采用中断方式访问DSP ,并通过对应的中断子程序来对参数进行修改以达到对心电信号波形的实时调整。
4.2 CPLD 选型系统扩展芯片选择CPLD 的最大优点是其延时可预测。
该CPLD 适合于时序逻辑控制应用,同时具有高集成、高速、高可靠性以及丰富的可编程IO 引脚,可用于实现存储器扩展、DSP 与液晶的接口以及DSP 与键盘的接口等。
61 第2期袁雪尧:基于T M S 320F 2812可调参数心电信号发生器的设计方案 5 实验结果(a )正常心电波形f =60次/分钟图4所示是由DSP 处理器实现心电信号波形图,并在CCS 软件支持下显示的心电信号图形。
本实验有针对性的调整了极值参数,其中图4(a )是正常状态下的心电波形,图4(b )调整了S -T 段的参数,使其比正常值低,用于模拟心肌梗塞时的心电图。
实验表明:该心电信号发生器能实现心电信号的产生,并可通过参数调整产生不同的心电波形。
其中横坐标表示模拟心电信号波形点的步进时间为t =7.6923×10-3s ,130个时间单位约为1s ,纵坐标表示心电信号电压值,单位为V ,该值为实际体表测值的10倍。
(b )心肌梗塞心电波形f =60次/分钟调整了S -T 段的参数图4 心电波形实验结果经过调试,本系统应用放大电路成功的滤除了各种噪声和干扰,使EC G 信号发大了10倍,保证了在微小电平下的波形输出,得到了符合要求的心电信号波形。