便攜式低功耗12導(dǎo)聯(lián)數(shù)字心電圖機(jī)的設(shè)計

【作 者】盛傳廣，楊翠微，鄔小玫，汪源源，秦亞杰

1 復(fù)旦大學(xué)專用集成電路中心，上海市，200433

2 復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子工程系，上海市，200433

0 引言

近年來，心臟病的發(fā)病率正逐步提升，標(biāo)準(zhǔn)的12導(dǎo)聯(lián)心電圖是醫(yī)生診斷心血管疾病的主要依據(jù)之一，但臨床的心電圖機(jī)一般體積較大，設(shè)備復(fù)雜，不適合院外使用。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代醫(yī)療儀器正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、家庭化的方向發(fā)展。

人體心電信號的主要頻率范圍是(0.05～100)Hz，幅度約為(0～4)mV，信號十分微弱。并且心電信號中通常混雜有其它生物電信號，加之體外以50 Hz工頻干擾為主的電磁場的干擾，使得心電噪聲背景較強(qiáng)，測量條件比較復(fù)雜。為了不失真地檢出有臨床價值的干凈心電信號，往往要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強(qiáng)抗干擾能力等性能。這就要求各通道有獨(dú)立的模擬放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。傳統(tǒng)設(shè)計中采用分立元件來設(shè)計各個模塊，故其體積往往比較大，功耗較高，限制了儀器的應(yīng)用環(huán)境。

文中所介紹的便攜式低功耗12導(dǎo)聯(lián)心電圖機(jī)，采用了TI公司高性能，低功耗DSP芯片[1]和模擬采集前端[2]，體積小、功耗低、精度高。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)由模擬前端ADS1298將采集到的心電信號通過SPI(串行外設(shè)接口)送入DSP芯片TMS320C5515，利用提升小波變換對信號進(jìn)行預(yù)處理[3]，并對信號進(jìn)行實時的顯示和存儲。同時也可以通過USB接口將信號傳送至上位機(jī)，進(jìn)行離線的分析診斷。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

1.2 電源電路

在本系統(tǒng)中所涉及的電壓包括模擬前端ADS1298所需的模擬3 V電壓和數(shù)字1.8 V電壓，DSP芯片的內(nèi)核電壓1.3 V，I/O電壓3.3 V以及鎖相環(huán)電壓、存儲器電壓、實時時鐘電壓等。電源部分設(shè)計時要滿足系統(tǒng)的上電時序要求，同時各路輸出電壓能夠滿足系統(tǒng)各功能模塊對電壓精度的要求。

本設(shè)計中采用TI公司電源芯片TPS65023來滿足上述要求。該芯片可提供三路降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出，兩路低壓差線性穩(wěn)壓器LDO輸出，一路實時時鐘電壓輸出。芯片同時提供了節(jié)電模式，軟啟動，熱關(guān)斷和電池備份功能，片上集成了I2C串行接口，可對相應(yīng)的輸出電壓進(jìn)行動態(tài)縮放，提供了多個電壓比較器，用于監(jiān)控輸入輸出電壓，并為系統(tǒng)提供復(fù)位機(jī)制。系統(tǒng)的電源電路如圖2所示，由于系統(tǒng)功耗較小可采用電池供電，提高了整機(jī)的便攜性，不必依賴于市電，方便用戶攜帶和使用。

圖2 電源電路Fig.2 Power circuit

1.3 模擬采集前端

系統(tǒng)采用TI公司的模擬采集前端ADS1298[1]。該芯片內(nèi)部有8個獨(dú)立的通道，每個通道都配有低通濾波器，用來增益可調(diào)的差分放大器，高通濾波器和24 bit精度的 A/D轉(zhuǎn)換器。每個通道共模抑制比大于100 dB，輸入阻抗約為10 MΩ，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率從500 sps～32 ksps可調(diào)。同時由于采用集成電路技術(shù)，使得該模擬前端還有其他優(yōu)勢，如芯片的面積只有(8×8)mm2大小，大大減小了模擬采集前端的體積；芯片內(nèi)部各通道的參數(shù)匹配性高，每個通道的輸入?yún)⒖荚肼暤停挥? mV；每個通道輸入偏執(zhí)電流只有200 pA，使得模擬采集前端的每個通道只有0.75 mW的功耗。這些性能使得該模擬前端完全符合心電信號對模擬采集前端的要求。

除此之外，模擬前端還提供了豐富的ECG功能模塊，包括右腿驅(qū)動模塊、威爾遜中心電端和導(dǎo)聯(lián)脫落檢測模塊。該模擬前端的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。在實際電路設(shè)計中，有6個差分放大器的負(fù)向端連接威爾遜中心電端，正向端分別連接6個胸電極，構(gòu)成6路胸導(dǎo)聯(lián)信號。剩余的2個放大器的輸入端分別為(左手，右手)和(左腿，右手)構(gòu)成I，II導(dǎo)聯(lián)，通過雙極導(dǎo)聯(lián)和加壓單極導(dǎo)聯(lián)的關(guān)系可推導(dǎo)出其他4個肢體導(dǎo)聯(lián)。這樣就構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)的12導(dǎo)聯(lián)心電圖機(jī)。

圖3 模擬前端Fig.3 Analog front end

1.4 DSP模塊

系統(tǒng)采用的核心控制芯片是TI公司的TMS320C5515，這是一款高性能、低功耗的定點(diǎn)DSP芯片[4-5]。芯片內(nèi)部有豐富的總線結(jié)構(gòu)，包括一條程序總線，三條數(shù)據(jù)讀總線，兩條數(shù)據(jù)寫總線以及DMA總線、外設(shè)總線等。在硬件資源上，芯片內(nèi)部有兩個17×17乘法器，一個40 bit算術(shù)邏輯單元(ALU)，一個16 bit的輔助ALU。這些硬件資源和總線結(jié)構(gòu)提高了指令的執(zhí)行效率，降低了功耗，為數(shù)字信號的實時快速處理提供了保障。同時芯片內(nèi)部還有豐富的外設(shè)資源，包括UART、SPI、USB等串行接口，64 MB的外部存儲器接口，液晶顯示(LCD)模塊接口等等。這些外設(shè)資源可使設(shè)計者在設(shè)計電路省去大量外圍電路的設(shè)計，系統(tǒng)整體更加精簡。系統(tǒng)通過SPI接口與模擬前端進(jìn)行通信，當(dāng)DSP芯片檢測到ADS1298的DATE_READY信號時，讀取ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果，進(jìn)行分析處理，并通過LCD模塊和大容量閃存進(jìn)行實時的顯示與存儲。也可以通過DSP芯片的USB接口將心電數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

1.5 存儲與顯示

擴(kuò)展的存儲器芯片選用三星公司的大容量閃存芯片K9F1G08U0A和美光半導(dǎo)體公司的閃存芯片PC28F128P30T85。K9F1G08U0A單片容量高達(dá)128 MB，屬于NAND Flash 結(jié)構(gòu)。存儲器將數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用為8條I/O 線，另外還分別提供了命令控制信號線，命令、地址和數(shù)據(jù)信息均通過8 條I/O 線傳輸，從而極大方便了系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品升級。在本設(shè)計中，利用該大容量閃存芯片來存儲心電數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)的采樣率為500 sps時，可連續(xù)存儲2 h的12導(dǎo)聯(lián)心電數(shù)據(jù)。對于存儲的心電數(shù)據(jù)，還可以通過USB接口傳送至上位機(jī)。PC28F128P30T85芯片為64 MB的NOR Flash，系統(tǒng)利用該芯片來存儲程序。

顯示功能選用內(nèi)含SED1335控制器的液晶模塊，分辨率是128×128。該模塊特點(diǎn)是功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，集成了液晶顯示控制器、驅(qū)動器、RAM、ROM和LCD顯示器，使用時只需向LCM中送入相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)即可顯示所需信息，且與DSP接口簡單，使用方便靈活。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 The flowchart of system software

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分采用C語言和匯編語言混和編程的方式，系統(tǒng)軟件包括DSP芯片和外設(shè)的初始化，采集心電數(shù)據(jù)，進(jìn)行心電數(shù)據(jù)的處理，實時顯示和存儲，以及響應(yīng)USB中斷進(jìn)行USB通信等，其中對于心電數(shù)據(jù)的處理，由于計算量大，占用內(nèi)存多等特點(diǎn)，采用匯編語言編程。軟件流程圖如圖4所示。

2.2 提升小波變換

第一代小波變換是在歐式空間內(nèi)通過基底的平移和伸縮構(gòu)造小波基的，不適合非歐式空間的應(yīng)用。因此提升小波變換應(yīng)運(yùn)而生。提升方案是把第一代小波變換過程分為三個階段：(1)分解，將輸入信號s(i)分為2個較小的子集s(i-1)和d(i-1)；(2)預(yù)測，在原始數(shù)據(jù)想關(guān)心的基礎(chǔ)上用偶序列的預(yù)測值P(s(i-1))去預(yù)測技術(shù)序列d(i-1)；(3)更新，利用預(yù)測值對原值進(jìn)行更新[3]。

提升小波變換是小波變換在空間域的完全解釋，它具有許多優(yōu)良的特性：結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)算量低、原位運(yùn)算、節(jié)省存儲空間等特點(diǎn)，因此便于在高速處理的硬件設(shè)備上實現(xiàn)。

2.3 心電信號的預(yù)處理

心電信號在采集的過程中，受到很多因素的干擾。在前面的模擬前端中，雖然濾除了心電信號頻帶以外的大部分信號，但頻帶內(nèi)干擾依然存在，如肌電干擾和工頻干擾等，為了降低系統(tǒng)的功耗，提高系統(tǒng)的便攜性，設(shè)計中沒有采用專門的硬件濾波電路，而是利用DSP芯片在信號處理方面的優(yōu)勢，采用上述的提升小波變換方法進(jìn)行濾波。

圖5 系統(tǒng)實物圖Fig.5 Photo of the system

3 結(jié)果

系統(tǒng)實物圖如圖5所示，印制電路板設(shè)計時，為了進(jìn)一步減小電路板的尺寸，優(yōu)化元件布局布線，同時也兼顧系統(tǒng)的成本，采用了四層印制電路板的設(shè)計方案，板子的實際尺寸為(13×7)cm2。系統(tǒng)采用電壓為1.5 V的2節(jié)單電池供電，可連續(xù)工作20 h，待機(jī)時間為1周左右。大容量閃存芯片可無壓縮存儲2 h以上的心電數(shù)據(jù)。

實際采集的心電信號如圖6所示。即可以同步顯示12導(dǎo)聯(lián)信號，也可以單獨(dú)顯示。

4 總結(jié)

圖6 心電信號顯示Fig 6 ECG signals

本文采用了TI公司的ADS1298作為心電信號的模擬采集前端，利用DSP芯片TMS320C5515實現(xiàn)數(shù)字濾波，既提高了系統(tǒng)的性能同時也減小了系統(tǒng)的面積，降低了系統(tǒng)的功耗，提高了系統(tǒng)的便攜性。

系統(tǒng)可同步采集和顯示12導(dǎo)聯(lián)心電信號，連續(xù)無壓縮存儲2 h的心電數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)采用電池供電，可連續(xù)工作20 h，待機(jī)時間1周左右，方便用戶隨時隨地記錄和存儲心電信號。也可以通過USB接口將存儲的心電數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行離線的分析。醫(yī)務(wù)工作者可利用該設(shè)備在門診或查房時觀察和記錄病人的心電信號，而不用病人專門去心電圖室檢查?；颊咭部梢栽谌粘Ｉ詈吐猛局杏涗浐痛鎯ψ约旱男碾娦盘?。由于存儲的心電信號，可以通過USB傳送至上位機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給醫(yī)生，使得患者在家中也可以隨訪。

[1]陳鎏,張海南,王登科.基于DSP的心電信號檢測系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù),2007,30(8): 99-102.

[2]魏厚杰,金安.ADS1298模擬前端的便攜式生理信號采集系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2012,12(2): 36-39.

[3]姚成.心電信號智能分析關(guān)鍵技術(shù)研究[D].吉林大學(xué),2012.

[4]代少升.TMS320C55X DSP原理及應(yīng)用[M].北京: 高等教育出版社,2010.

[5]李海森.TMS320C55X系列DSP指令系統(tǒng)、開發(fā)工具與編程指南[M].北京: 清華大學(xué)出版社,2007.