（生物医学工程专业论文）基于DSP的高速高精度12导心电图机.pdf

a b s t r a c t h e a ni st 1 1 em o s ti m p o m m to 喀锄o fh u m 锄a n di t ss t a ：t ei sc 1 1 j c i a l t oe v e 叫o n e s h e a l t h e l e c 臼0 c a r d i o g r a p hi s 粕i m p 0 九彻td i a g n o s t i ct o o lf o rc a r d i a cp h y s i c i a n st o d i a g n o s e t l l eh e a r t 12 一l e a d e l e c 臼o c a r d i o g r 印h ，u s i l l 9 12 - l e a de l e c n 。o c a r d i 0 9 1 啪 s y n c h r o n o u sr c c o r d i n gt e c h n o l o g y ，i sn o wt h em a i l ld e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nt h e d e s i g no fe l e c t r o c a r d i o g r 印h sb o t hh e 心柚do v e r s e 笛w i t l lt l l er h y t h mo fm o d e ml i f e g e t t i n gf i a s t e ra n df i a s t e r ，t h e 姗o u n to fp e o p l ea m i c t e db ya l ik i n d so fh e a r td i s e a s e si s i n c r e a s i n gy e a rb yy e a r a sar e s u l t ，d i a g n o o fh o s p i t a l sa r eb e a r i n gh e a v i e rb u r d e n o fs p e e d i n e s s ，v e r a c 时锄dl o wc o s t s ot h i sp a p e rd e s i g n sah i g h s p e e dl2 - l e a d e l e c t r o c a r d i o g r 印ht 0m e e tt h en e e d so ft h ep o w e 而且l 如n c t i o n ，l o w e rp r i c e ，c r e d i b l e q u a l i 够a sl o n g 髂o p e r a t eb yp r e s s i l l gas i m p l ek e y ，廿l ee l e c t r o c a r d i o g r a p hw i l l a u t o m a t i c a l l yp r i n tt h ee l e c t r o c a r d i o g m mi n 弛m d a r df o 砷a 骶rs i g n a lm e a s u r i n 吕 p r o c e s s i n g ，s t o r i n ga n dd i s p l a y i n g 。r e f i n e da n a l o gc i r c u i ta n de n h a n c e dd i g i t a lf u n c t i o n ”i st h ed e s i g n i n gi d e a o ft h es y s t e m ，w h i c h 印p l i e s1 m s 3 2 0 f 2 8l2t oo p t i m 泣es y s t e mh a r d w a r e ，e n h a n c e s y s t 锄m n c t i o n s 锄dl o w e rc o s t t h ek e yi d e ai s“s o 小v a r ei n s t e a do fh a r d 、v a r e 一， s u c h 邪o v e r s 锄p l i n g ，a d a p t i v ec o h e r e mm o d e i ，s y n t h e s i so f1 2 - l e a de c gs i g n a l ， a u t o - a d j u s t i l l gb a s e l i n e锄da u t o r e g u l a t i n gg a i n ，t h a tr e m a r k a b l yr e d u c e st h e p r o c e s s i n g h a r d w a r ec i r c u i ta n dm a k i n gm o s tu s e 向l lo ft h et m s 3 2 0 f 2 8l2 s c a p a b i l i t ) r t h eh a r d w a r ec o m b i n e sw i t l ls o f t 、a r et h r o u g hp r o g 舳d e s i g n 岫d e rt h e m i d 锄c eo f“s t r a t i 6 c a t i o n 卸dm o d u i a r i z a t i o n ”、h i c hf u l f i l l sa l lm n c t i o n s o f r e a l t i i l l e t h ed e s i g ni sb a s e do nt h ek n o w l e d g e锄dt e c h n o l o g ys u c ha se l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g ，e m b e d d e ds y s t e ma p p l c a t i o n ，d i g i t a ls i g n a lp i o c e s s i n ga n de c gs o r t e c h n i q u e ， e t c c o m p a r i n gw i t ho t h e rl2 一l e a de l e c t r o c a r d i o g r a p h s ， i tw i l ls h o w r e m a r k a b l ep r o m i s i n gp r o s p e c ta n dp r e p o n d e r 锄tm a r k e tc o m p e t i t i o n k e yw o r d s ： l2 - l e a de l e c 仃o c a r d i o g r a p h ；d s p ；o v e r s 锄p l i n g ；a d a p t i v ec o h e r e n t m o d e lf i l t e r ；a u t o - r e g u l a t i n gg a i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗苤堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名身茹1 巨 签字醐：) 7 肘相 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：彳多如 导师签 签字日期：7 年f 月 f 字日 刚 签字日期：乙舢7 年f 月f 珀 天津大学硕士学位论文基于d s p 的高速高精度1 2 导心电图机 1 1 心电及心电图 第一章绪论 心脏是人体的重要器官，是血液循环的动力装置，对人的生命有重要意义。 由于人体是一个电容导体，在心脏搏动时产生的生物电流使得身体表面产生电位 差，这就是心电信号。该信号可以通过适当的电极在身体表面拾取到，并且显示 出模拟波形。 心电图是从体表记录的心脏电位变化曲线，它反映出心脏兴奋的产生、传导 和恢复过程中的生物电位变化。1 8 9 5 年，荷兰生理学家飘e i t h o v e n 首次从体表 记录到代表心脏完整的除极和复极过程的心电波形，并以p 、q 、r 、s 、t 、u 来 标志不同的、可区分的棘波，并给这类心脏电活动命名为心电图 ( e 1 e e t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 。 图卜1 所示是一个典型的完整的心电波形。心电图的各个波、段和间期都可 作为临床分析心脏疾病的重要参考资料【l 】。 心室收缩开始 心房收 图1 1典型心电波形 正常的心电图是由一个p 波、一个q r s 波群、一个t 波和一个u 波组成。 p 波：窦房结发出激动，传导至心房并使心房激动产生了p 波，前一半主要 由右心房所产生，后一半主要由左心房所产生。 q r s 波群：激动进入心室间隔及心室壁肌层产生q r s 波群，它反映了左、右 心室的电激动过程。称q r s 波群的宽度为q r s 时限，代表全部心室肌激动过程所 需要的时间。 t 波：代表心室激动后复原时所产生的电位影响。在r 波为主的心电图上， 第一章绪论 t 波不应低于r 波的1 1 0 。 u 波：位于t 波之后，这是一个较宽而低的波，反映心肌激动后电位与时间 的变化。 正常人的心电图的心电图典型值： p 波：o 2m v ：q 波：0 1 m v ：r 波：0 5 1 5m v ；s 波：0 2m v ：t 波：0 1 0 。5m v ；p r 间期：o 。1 2 o 2 s ；q r s 间期：o 0 6 0 。l s ； s t 段：o 1 2 0 1 6 s ；p r 段：0 0 4 0 8 s 。 通常，在心电图记录纸上，横轴代表时间，每l 衄代表0 0 4 s ( 当标准走纸 速度为2 5 耐s 时) ：纵坐标代表波形幅度大小，每1 衄代表0 1 m v ( 当标准灵敏 度为1 0 衄m v 时) 。 心脏的生理功能与心电图之间存在着密切的对应关系，当心脏生理功能发生 失常时，均可以从心电图的波形变化上反映出来。通过用肉眼观察或用波形分析 技术判读，诊断出心脏生理功能失常的情况与变化趋势，这对医学研究和临床都 有重要意义。 目前，通过对心电波形的分析，可以发现心脏的各种心律失常、期间收缩、 心肌梗塞部位及其发展过程、心脏异位搏动、高血压、先天性心脏缺损、病人代 谢率及其他心脏综合病症等。 1 212 导联心电图 由于心脏电兴奋传导系统所产生的电压是幅值及空间方向都随时间变化的 向量，所以从体表电极检测出的心电图将随电极位置的不同而各异。为了完整地 记录心脏的电活动状况，常用水平和垂直方向的1 2 种不同导联作记录，称为标 准1 2 导联，即i 、a v r 、“l 、a v f 、v 。、v 2 、v 。、u 、v 5 、v 8 导联。在测 量时，须在人体上安放1 0 个电极，分别为：右臂电极r a ；左臂电极l a ；右腿电 极r l ；左腿电极l l ；胸部6 个电极c 1 c 6 。根据国家标准，由这些电极可以合 成标准1 2 导联心电图乜1 ： 1 标准肢体导联： 导联i = v l v r ； 导联i i = v f v l ： 导联i i i = v f v l ； 2 加压单极肢体导联： 1 a v r 2 一去( + ) ： 天津大学硕士学位论文基于d s p 的高速高精度1 2 导心电图机 a v l 2 圪一去以+ ) ； a v f 2 一去( + ) ； 3 常用的胸导联： 胸导k = k 一昙帆+ 吃+ ) ；其中i = 1 6 ，为6 个胸导联。 ) 式中，v hv 。、v ，和v 。( i = 1 6 ) 表示右臂、左臂、左腿和胸壁的电位。 从1 2 导联心电图学宣告成立开始，心电图检查在全世界范围内迅速得到了 推广应用。心电图记录从开始的单导联心电图记录到后来的3 6 导联心电图同 步记录，再从3 6 导联心电图同步记录到近来兴起的1 2 导联心电图同步记录， 从而将现代心电图学推向了一个崭新的发展阶段。 1 2 导联心电图同步记录的极大优越性，使得它在心血管疾病的诊治方面发 挥着独特的重要作用。它最能客观表达各波、段、和间期，将心电波形的测量数 据精确到千分之一。依据1 2 导联同步记录的心电图，可以对早博、心动过速、 预激综合征、束支阻滞及分支阻滞等进行定位诊断与鉴别诊断，准确性优于单导 联记录的心电图。 1 3 心电图机的发展及现状 心电图机被设计用来放大和记录由于心脏电激动而在身体表面产生的被测 电位差。心电图机所记录的每一次活着的“心脏跳动 心电图表现为一个 连续的波形，即p 、q 、r 、s 、t 和u 波，这些波形对应着心脏的基本电活动。 从1 9 0 3 年e i n t h o v e n 发明第一台弦线式心电图仪开始到现在，心电图机已经 过了近百年的发展历程，其技术逐渐地趋于完善。二十世纪3 0 年代，弦线式心 电图机才逐渐被电子管和晶体管放大式心电图机所代替，但后者都比较笨重，故 障率高，很快被淘汰。自从二十世纪六十年代初期以来，已经进行了靠计算机来 完成心电图波形的测量以及随后的分析处理的研究。8 0 年代初美国m a r q u e 仕e 公 司首先推出数字化心电图机，从此心电图进入了数字化、自动化、网络化管理的 新时代【3 1 。尤其是近些年推出的数字1 2 导心电图机，使得心电图机技术进入了 一个更高的发展阶段。 目前，许多发达国家( 以日本为主) 都已实现了1 2 导联心电图同步记录技 术，并推出相应的1 2 导心电图机产品，但价格与其它类型心电图机相比较，明 显高出许多倍：如日本光电公司生产e c g 一6 5 5 1 型单导自动心电图机售价只需7 千元，而e c g 一9 3 2 0 k 型1 2 导多用途心电图机售价高达8 9 万元人民币。 目前，我国在心电图机的研究、制造和推广中，都处于相对落后的状况。除 第一章绪论 了一小部分大医院采用了进口的1 2 导心电图机，其它各医院及诊所仍广泛使用 的是单导联心电图机。国内心电图机生产厂家，技术水平有限，生产的大多都是 国外早已淘汰类型的产品。有些中外合资企业也在生产1 2 导心电图机，虽然产 品较先进，但价格也与进口产品相当，较难在国内推广销售。不论目前我国的市 场状况如何，都不能阻挡1 2 导心电图机取代单导联心电图机的必然趋势4 1 。 1 4 课题的研究意义、内容及设计思想 心血管疾病是目前中国人群最主要死因，约占死亡人数的3 4 4 0 ，其中因 冠心病全国每年死亡1 1 0 万人。仅从1 9 8 8 年1 9 9 7 年的十年间，城市居民心血 管疾病死亡率上升高达2 5 。我国心脏病患者和老年人( 老年人多数有心脏病和 相关疾病) 人口已经高达几个亿，并且据有关专家最新研究结果表明心脏病在我 国至少“年轻”了1 5 岁! 特别是近些年来，由于人们生活节奏的加快，患心血 管疾病的人数逐年增长，使医院门诊部门负担加重。对于临床门诊来说，急需一 种测量快速、操作简易、可靠性高的智能心电图机来减轻医务人员的负担。 本课题针对以上现状，旨在研究并设计出一种功能强大、价格低廉、质量可 靠的高速化、智能化、数字化的1 2 导心电图机，操作者只需操作简单按键，就 可以自动完成心电信号的测量、处理、存储、显示、打印等功能。使高质量的 1 2 导心电图机成为医生诊断心脏疾病的得力助手。 本科题研究的1 2 导心电图机，即采用1 2 导联心电图同步记录技术的心电图 机，它集现代电子技术、计算机技术、信号处理技术和心电软件技术于一体，其 主要使用功能有： 快速心电检测 实时液晶显示 心电数据存储 导联脱落检测 1 2 导心电图打印 本课题研究的内容主要围绕实现上述1 2 导心电图机各种功能，从硬件电路 设计、信号处理、d s p 各种算法的实现来设计出一台完整的1 2 导心电图机，其 主要内容如下： 第二章是硬件电路的设计，包括模拟和数字两部分。主要有心电采集电路、 报警电路；d s p 接口、存储器接口、打印机接口和液晶接口等。在这一章采用了 一新型的心电检测方法；并分析了d s p 中定点系列1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的强大功能和 特点，作为心电信号处理器的优势；最后设计了d s p 与各种外设的接口。 4 天津大学硕士学位论文 基于d s p 的高速高精度1 2 导心电图机 第三章是心电信号的数字信号处理。主要讨论了过采样技术提高分辨率和改 善信噪比，提出了针对数字心电信号的自适应模板去除窄带工频干扰和基线漂 移、1 2 导联心电信号的合成、自动基线调整、自动增益调节等数字心电信号处 理技术。 第四章在硬件平台和数字信号处理技术的原理支持下，应用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 设计了1 2 导联心电图机的全部程序，形成了完整的程序流程。 第五章总结了本论文设计的特点和优势，提出了未来可改进的方面。 通过本课题的研究，1 2 导心电图机在具备强大功能的同时，实现了数字化、 智能化、软件化，这是1 2 导心电图机又一新的发展，本论文的设计从始至终都 遵循着以下设计思想： “精炼的模拟线路，完善的数字功能一是本论文硬件设计的主导思想， 充分合理的利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上资源，优化硬件电路设计，完善系统 功能，大大降低成本； “硬件的软件化刀是系统降低成本，减小体积、提高性能的最佳途径， 通过心电信号的过采样、数字滤波等信号处理，增强了心电信号的分辨 率和信噪比、改善了动态范围和信号质量、提高了抗干扰能力。 “层次化、模块化”的程序设计，使得硬件平台和软件算法融为一体， 在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上实现了实时、快速心电信号的处理、显示和打印，完 成了1 2 导联心电图机的全部功能。 第二章优化的硬件电路设计 第二章优化的硬件电路设计 “精炼的模拟线路，完善的数字功能一，是本论文硬件设计的主要特色，是 与以往1 2 导心电图机相比的最大优势。 在过采样技术的提出和应用前提下，多导联心电采集电路大大简化，利用 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的8 通道a d ，实现1 2 导联心电信号的同步采样；为了满足数据运 算与心电信号存储的双重需要，外扩静态存储器，使系统有足够的存储空间应付 大量数据的存储与实时处理。 1 2 导心电图机操作简单，具有良好的人机对话界面，采用了6 4 0 4 8 0 大屏 幕细点阵液晶，全中文操作菜单，与其它1 2 导心电图机一样，本机也配置了一 个内置式打印机，在心电信号处理结束后，根据需要可自动打印出所需格式的心 电图。 另外，还有为抑制干扰而设计的右腿驱动电路；进行导联脱落检测和热敏打 印机超温报警线路。 图2 1 所示为1 2 导心电图机的整机原理框图。下面将分节对各部分电路及 参数设计进行说明。 声、_ tl心电采 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 c：j 存储器 - y集电路 ，k f 打印机 、一 n 、晶尚 导联脱落监测匕纠匕纠 介 电源管理系统 图2 11 2 导心电图机的整机原理框图 2 1 精炼的模拟电路设计 心电信号是一种较微弱的体表电信号，其幅值约为0 5 m v 删，频率主要 分布在0 0 5 h z 7 5 h z 的范围内，属于低频率、低幅值信号。在心电信号的检测 6 天津大学硕士学位论文基于d s p 的高速高精度1 2 导心电图机 中通常都伴有强干扰( 噪声) ，这些干扰( 噪声) 主要是极化电压、5 0 h z 工频、 肌电干扰和基线漂移，因此对心电信号的检测电路尤其是前置放大器提出了特殊 的要求，要有较高的增益、高输入阻抗( 2 m q 以上) 、高共模抑制比( 6 0 d b 以上) 、 低噪声( 1 0 u v p p 以下) 、低漂移以及合适的通频带宽度和动态范围。 极化电压是由于测量电极与人体皮肤表面接触形成的半电池而产生的直流 电压，其幅值约为几毫伏至几百毫伏不等，国家标准中规定极化电压最大为 3 0 0 m v ，远远大于心电信号。在测量过程中，这个电压也是缓慢变化的，表现为 频率很低的噪声信号。因此在通常情况下前级增益不能过大以免饱和，或者需要 采用超低频的交流放大器。然而，绝大多数的集成仪器放大器，它们的共模抑制 比与增益相关：增益越高，共模抑制比越大呻，。由于极化电压的存在，前置放大 器的增益只能在几倍以内，这就使得集成化仪器放大器作为前置放大器时的共模 抑制比不可能很高哺 。 消除极化电压最常用的方法就是使用隔直电容( 高通滤波器，行业内称为时 间常数电路) ，国家标准要求时间常数不小于3 2 s 。目前很多学者设计出了能消 除极化电压的放大器，例如九c m e t t i n g v a n r i j n 提出了一种反相积分负反馈 型放大器睁1 ，i a d o t s i n s k y 等人提出了d a c 反馈型心电放大器n 们，j 锄e sj m c k e e 等人提出了将心电信号进行低倍直流放大( 或不放大) ，用高分辨率的模 数转换器来补偿信号放大倍数的方法叫以及李刚教授提出的具有共模驱动的新 型心电放大器等。本文通过研究这些放大器设计出了更适合多导联检测的新型心 电检测电路。 2 1 1 改进的高性能、多导联心电采集电路 李刚教授经过多年的研究，设计出了一种新型的高性能生物电前置放大器 n 2 】【l 朝。这一设计在“三运放一的基础上，不仅可以抑制直流干扰，而且可以提供极 高的共模抑制比。该设计突出的优点是对外围无源器件的参数不敏感，即使采用 低成本的常用芯片，无须刻意匹配仍然可以达到良好的性能，尤其适合生理电 信号的高精度测量。本论文设计采用轨到轨仪器放大器a 5 ( a d 6 2 3 ) 和运算放大 器a 1 、a 2 、a 3 ( l m 3 2 4 ) 构成，电路结构简单，性能优异。电路如图2 2 所示，主 要包括四部分：并联型双运放前级放大器、阻容耦合网络、共模信号取样驱动电 路、后级集成仪用放大器。 图2 2 中，前级采用运放a 1 和a 2 组成并联型放大 器：，一：里掣( 一k ：) ，理论上不难证明，在运算放大器为理想的情况下， l 并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大，共模抑制比也为无穷大n 即。 7 第二章优化的硬件电路设计 阻容耦合电路放在由并联型差动放大器构成的前级放大和由仪器放大器构 成的后级放大之间，隔离直流信号，这样可为后级仪器放大器提高增益，进而为 提高电路的共模抑制比提供条件，高通截止频率五2 磊矗。 图2 2 新型生物电放大电路 共模取样电路由两个等值电阻r 4 、r 5 和运算放大器a 3 组成的射跟器构成。 a 3 的输入信号取自、：的两个串联电阻的中点电压v 。，即：= 委( + ) 。只 有当差模信号的输出= 一：时，屹= o ，a 3 的输出为0 ，等同于接地；而当兼有 共模电压和差模信号输入时，a 3 的总输出只包含输入信号的共模部分 = 去( + ) 。从而使得共模信号不经阻容耦合电路的分压直接加在后级仪用放 大器的输入端，避免了阻容耦合电路中的阻容元件参数不对称( 匹配) 导致的共 模干扰转换成差模干扰的情况发生。 后级电路采用高性能的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出。由于 阻容耦合电路的隔直作用，后级的仪器放大器可以做到很高的增益，进而得到很 高的共模抑制比。从理论上计算整个电路的共模抑制比为： 或 啾删2 伽x 咖：2 等罢2 午蚴刊伽z c d 矾删= 2 0 l g _ l d + c 口己r 2 式中：c 凇。或c m r ，为放大器的总共模抑制比；c 躲。为第一级放大器的共模 8 天津大学硕士学位论文 基于d s p 的高速高精度1 2 导心电图机 抑制比；伽t 。或c 豫为第二级放大器的共模抑制比；a 。、a 。和a 2 a 、凡。分别为 第一级放大器和第二级放大器的差模增益和共模增益。此时，电路的差动输出为： ：( k 一巧：) ( 墨l 三冬车堡三) ( 兰之三笠+ 1 ) i o k 该放大电路巧妙的利用了仪器放大器的共模抑制比与增益的关系，结合阻容 耦合电路、共模驱动技术，实现了高性能的生物电放大电路。 图2 2 中，输入k - 为六个胸导k ( 2 l ，2 6 ) 、左臂导联屹、右臂导联，k ：为左 腿导联，这样构成了8 路待采样的输出信号。 根据第三章的过采样技术的讨论，经d s p 过采样提高了4 位分辨率，相当于 软件放大倍数为2 4 = 1 6 。对于最大的心电信号4 m v ，在参考电位为1 5 v 的情况下， d s p 的a d c 的输入范围0 3 v ，硬件的放大倍数为4 6 8 7 5 倍，具体计算参考第三 章。因此，多导联的心电采集电路的增益( 包括抗混叠滤波器增益) 约为4 5 倍。 这一放大倍数是在硬件复杂度和软件算法的数据处理量之间的权衡而得出的。软 件放大倍数的设计，使得硬件放大倍数降低，大大提高了电路输入的动态范围和 抗干扰能力。 2 1 2 抑制干扰的右腿驱动电路 工频( 5 0 h z ) 干扰是心电测量中最重要的干扰。仅靠前置放大器较高的共模 抑制比还不足以抑制工频( 5 0 h z ) 干扰。右腿驱动电路是抑制工频干扰的有效方 法。右腿驱动电路是心电检测电路中必不可少的一个环节，良好的右腿驱动电路 可以提高电路的抗工频干扰能力，并与人体和放大电路共同形成闭合回路，保证 心电放大电路的正常工作。在共模驱动电路的基础上很容易实现右腿驱动电路。 本文设计的右腿驱动电路如图2 2 所示。 2 1 3 保护与报警系统 一保护电路 心电信号检测电路是仪器与人体直接接触的部分，在设计时必须考虑安全性 问题。为确保仪器使用时安全可靠，在放大电路前设计两个稳压二极管作为保护 电路，以防外界过强的电压信号( 如除颤时产生的高压信号，人体带有的静电) 进入心电图机而毁坏仪器。 二导联脱落监测电路 为精简电路设计，本论文利用前置放大器来检测导联脱落信号。其工作原 理是：除右腿以外的9 个导联与人体接触良好时，前置放大器l h l 3 2 4 的输出为正 常值：而当导联脱落时，输出饱和，这一电平直接由t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的9 通道i 0 第二章优化的硬件电路设计 输入，当检测到高电平时，指示导联脱落。如果右腿导联脱落，所有其他9 个导 联的运放输出均饱和。当检测到导联脱落，心电图机进行声音和指示灯报警。 三打印机温度监测电路 熟敏打印头在打印时，需要随外界环境温度的变化，来相应改变选通信号的 有效时间。当环境温度较低时，有效时间相应延长一些；而当环境温度较高时， 有效时间相应变短一些，以使热敏打印头内部的加热元件受热达到相同的温度， 从而保证在不同环境温度下的打印效果保持不变。如果温度超过一定范围，系统 应当报警，以保证打印头不受损坏。因此，在系统中有必要设计一个测温电路来 完善打印功能。 热敏打印头的t h e 蹦i s t o r 引脚，在打印头内部与地相接了一个负温度系数 的热敏电阻，实现温度传感器的功能。因此，为检测环境温度，在系统中设计了 一个无稳态多谐振荡器电路，如图2 3 所示。此电路能将热敏电阻的阻值变化转 换成输出方波的频率变化，而输出接到t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的捕获输入端c a p 4 ，通过 在输出方波的一个周期内用定时计数的方式，即可获得输出方波的周期( 或频 率) 。 r 1 t 输出方波频率的计算公式为：= 亭。j 磊i 之翻 或 m 驯n 睁 式中：r 。= 1 mq ，c 。= o 0 1uf ，飚= 4 7 kq ， 灭：恐5 p b ( 1 77 一17 ) ( t 和t 2 5 都为开氏温度) ， 。= 3 0kq 5 ，b = 3 9 5 0k 2 ，t 2 5 = 2 5 + 2 7 3 = 2 9 8k 。 l o 天津大学硕士学位论文基于d s p 的高速高精度1 2 导心电图机 在知道输出方波的周期之后，就可按下表2 1 所示选通的有效时间，确保热 敏打印头正常工作。 表2 1 热敏电阻与方波周期在不同温度下的对应值 温度热敏电阻( k q )方波频率( h z )方波周期( m s ) 选通打印 ( 0 4 0 )最小典型最大最小典型最大最小典型最大脉冲宽度( m s ) 0 o9 1 7 09 8 9 01 0 6 42 93 03 13 1 7 93 3 0 13 4 2 02 6 5 o 7 1 6 57 6 7 18 2 1 03 33 43 62 7 9 72 9 0 l3 0 0 52 4 5 1 0 o5 6 2 05 9 9 96 3 8 8 3 83 9 4 12 4 4 32 5 3 52 6 2 72 3 5 1 5 o4 4 5 04 7 2 75 0 1 04 44 54 72 1 2 52 2 0 52 2 8 32 3 2 0 o3 5 4 93 7 5 33 9 5 8 5 15 25 41 8 4 11 9 0 91 9 7 52 2 5 2 5 02 8 5 03 0 o o3 1 5 05 96 l6 31 5 8 81 6 4 51 7 0 12 2 3 0 02 2 8 42 4 1 42 5 4 6 6 87 l7 4 1 3 5 81 4 1 31 4 6 82 1 5 3 5 o1 8 4 21 9 5 52 0 7 17 98 38 61 1 5 81 2 1 11 2 6 42 0 5 4 0 0 1 4 9 5 1 5 9 3 1 6 9 49 29 71 0 29 8 51 0 3 51 0 8 61 9 从上面的表格可以看出，当方波的周期小于9 8 5 m s 时，系统报警( 蜂鸣器 发声和发光二极管点亮) 表示打印头超温。 2 1 4 电源管理系统 1 2 导心电图机是面向医院临床的诊断设备，采用2 2 0 v 交流电供电，采用专 业的电源模块产生+ 2 4 v 和+ 5 v 的电源，+ 2 4 v 是热敏打印机的供电电源，+ 5 v 是后 面电源芯片的输入。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的核心电压是1 8 v ，i o 口电压是3 3 v ，f l a s h 编程电压3 3 v 的低功耗电源系统，为了满足这一需要，采用t p s 7 6 7 d 3 1 8 稳压芯片提供上述电 压，如图2 4 所示。 1 2 导心电图机采用低功耗设计方案，除前级运放a 1 、a 2 采用+ 5v 供电以 外，其余各芯片工作电压均为3 3 v ，仪用放大器采用3 3 v 的轨到轨芯片a d 6 2 3 ， 可在实现信号检测的同时，减少a d 输入端的保护电路。 第二章优化的硬件电路设计 。l l 卜云- c x 一一一r x黔，瓣岸u ， j _ 一 “。 o 卜 圭譬3 【尸 净雌 xj i nx 2 0 u t 母6 0 。t 1 0船 l l【 x x 鼎x 2 ( 】u t ) c 2 i nx 豫e 卯 删 n c j n cn c 1 9 n cn c面一 l b n cn c1 广1 ，2 n c n c可。亨 3 3 【，啪 摹 。扩 。 n c 9 _ 3 f m 卦 n cx 加 目d习 x 1 0 h ) 鼍 嗍1 8 亨 图2 - 43 3 v 和1 8 v 电源电路 2 2 基于t 研s 3 2 0 f 2 8 12 的数字电路设计 本论文是基于d s p 强大的数字外设和数字信号处理能力，设计了1 2 导心电 图机的各种功能和数字外围电路。 2 2 13 2 位定点d s p t m s 3 2 0 f 2 8 12 刚s 3 2 0 c 2 8 x 系列是1 1 公司推出的目前国际市场上最先进、功能最强大的 3 2 位定点d s p f l 6 】。c 2 8 x 的代表1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，不仅具有数字信号处理能力， 又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，图2 5 为1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的功能 框图。其主要性能如下【1 7 】： 高性能静态c m o s 技术，1 5 0 眦z 系统时钟 高性能的3 2 位中央处理器： o1 6 位1 6 位和3 2 位3 2 位乘且累加操作 o1 6 位1 6 位的两个乘且累加 。哈佛总线结构 。迅速的中断响应和处理 。统一的寄存器编程模式 。高达4 兆字的线性程序地址和数据地址 。高效代码，可用c c + + 或汇编语言【1 8 】 片内存储器，1 2 8 k 的f l a s h 存储器，片内s a r a m ( h 0 ，l o ，l l ，m o ，m 1 共1 8 k 1 6 位) l k 1 6 位o p t 只读存储器，4 k 1 6 位的b o o tr o m 1 2 8 位密钥 外部存储器接口：可编程等待状态和读写选通计数器、三个独立的片选端 时钟与系统控制：支持动态改变锁项环的频率、片内振荡器、看门狗定时器 模块 天津大学硕士学位论文基于d s p 的高速高精度1 2 导心电图机 三个外部中断 三个3 2 位c p u 定时器 外部中断扩展p i e 模块：可支持9 6 个外部中断源 两个事件管理器e v a 和e v b 串口外围设备：s p i 、s c i s 、u a l 限、e c a n 、m c b s p 等 1 2 位a d c ：2 8 通道的输入多路选择器、两个采样保持器、单路转换时间 6 0 n s 、单个转换时间2 0 0 1 1 s 最多有5 6 个独立的可编程、多用途通用输入输出g p l 0 引脚 j t a g 边界扫描支持，高级仿真特性：分析和设置断点、实时硬件调试 低功耗模式和节能模式 囡代码保护的模块 图2 5t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的功能框图 本论文所设计的数字化系统充分利用了2 8 1 2 的片上外设，精简外围模拟电 第二章优化的硬件电路设计 路，主要使用的功能如下： 系统时钟及锁项环p l l 的管理：3 0 m 晶振，1 5 0 m 系统时钟 8 通道a d c 过采样心电信号 e v a ( 事件管理器a ) 定时器启动仰c 啪捕获功能c a p 4 外部存储器的管理 液晶的片选、读写控制 s p i 串口与打印机的串行数据通讯 g p i o a o _ 屯p i o a 3 打印机选通信号，g p i o b 0 g p i o b 3 步进电机驱动 g p i o a 5 g p i o a13 监测导联脱落 按键控制 驱动蜂鸣器和发光管 2 2 2 过采样电路 过采样部分的前级模拟电路主要包括抗混叠滤波器【1 9 】，以防a d c 在心电信号 采样时发生混叠，如图2 2 所示。 2 2 3 存储器接口 在过采样之后，1 2 导联心电信号的合成、自适应滤波、打印等软件算法需要 用到至少4 8 k 的存储空间，本论文设计采用6 4 k 的i s s i 公司生产的 i s 6 l l v 6 4 1 6 l - 8 t 高速c o m o s 静态存储器，图2 6 为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与i s 6 l l v 6 4 1 6 l _ 8 t 的接口f 2 0 】，其主要特点： 高速访问时间：8 n s c o m s 低功耗操作：工作6 5 m w ，静态功耗5 0 | 1w 1 i t l 兼容接口 3 3 v 电源供电 全静态操作模式，无需时钟和刷新 三态输出 高字节和低字节分别控制 1 4 天津大学硕士学位论文 基于d s p 的高速高精度1 2 导心电图机 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 x a o x a l5 姒，5 解码 令 8 4 k 1 8 吖 存储阵列 g n d - 介 jl x d o x d l 5 m 岍牟冷 i o 剑的列l阱捌5e 玲 jl t x z c s 2- 醒一 ) - 琵 控制 x w ew e u 百 i s 6 l 【j 1 6 4 1 6 l 8 砸一 图2 61 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与i s 6 l l v 6 4 1 6 l 8 t 的接口 2 2 4 液晶接口 液晶选用s h a r p 公司生产的l m 6 4 p 8 3 l ，控制器集成线路为d p e c k 公司 的v g d m 0 1 控制模块。 一l 瞒4 p 8 3 l 参数 l m “p 8 3 l 为单色液晶，其主要结构和电气参数如表2 2 所示【2 1 1 。 表2 2l m 6 4 p 8 3 l 结构和电气特性 参数说明单位 外形尺寸 2 5 3 ( 宽) 1 7 4 ( 高) 7 ( 厚) 衄 可视面积1 9 6 ( 宽) 1 4 7 6 ( 高)m m 显示格式6 4 0 ( 宽) 4 8 0 ( 高)点阵 点阵尺寸 o 2 7 l o 2 7m 点阵间隙 0 0 3 皿 电气特性最小典型最大 逻辑电压4 7 55 o5 5v l c d 驱动电压 一2 3 21 8 91 5 1v 逻辑供电电流 2 4 3 6m a l c d 驱动电流 1 52 5a 功耗 3 8 0 5 9 0m 霄 二液晶控制模块瑚1 1 5 第二章优化的硬件电路设计 v g d m 0 l 是针对s h a i 冲公司l m 6 4 p 8 3 l 液晶而设计的集成控制器，包括8 位并行接口、1 2 8 k 显示存储器、d c d c 模块，只需5 v 供电即可工作。工作时， 只要送入坐标，计算出存储位置便可实现液晶的显示。其接口与时序分别如表 2 3 和图2 7 所示。 表2 3v g d m 0 l 的接口定义 引脚 定义 状态功能 1v e e 液晶驱动电源( 集成) 2g n d 电源地 3v c c 逻辑电源+ 5 v 4 r d 输入读操作信号 5w r 输入写操作信号 6c s 输入片选信号 7r s 输入寄存器选择1 一数据，卜指令 8d b 伊一d b 7 三态8 位数据总线 图2 7v g d m 0 1 的控制时序 三液晶与d s p 的接口 根据控制模块v g d m 0 1 的要求，设计t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与v g d m 0 1 的接口如图2 8 所示。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 在控制液晶液晶显示时，只需要8 位数据即可，液晶的片选 信号采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的外部存储器x i n t f 区o 的片选信号砭历而，r s 由 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的地址线a 0 控制，丽和而信号，分别与t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的丽话和而 信号相连。 1 6 天津大学硕士学位论文基于d s p 的高速高精度1 2 导心电图机 t m s 3 2 0 f 2 8 l2 v g d m 0 l 冗z c s 0 舢ic s a o r s x w e腓 爿冗d足d d 0 一一d 7 d b o d b 7 图2 8t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与v g 咖0 1 的接口 2 2 5 打印机接口 本文设计采用内置式打印机，它包括两个主要组成部分：步进电机和热敏打 印头。 一步进电机的驱动 步进电机作为走纸机构的重要组成部件，它的工作正常与否，直接影响最终 的打印结果。驱动步进电机旋转需要四个顺次的驱动脉冲，因此，通过 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的g p i o b 0 g p l o b 3 发出四个顺序脉冲，作为步进电机驱动信号。 由于步进电机所需的电流较大，一般需要几百m a 左右，且其工作电压也较高， i o 口输出的脉冲无法直接驱动的，因此，采用u l n 2 0 0 3 构成步进电机的驱动电 路。外围驱动器u l n 2 0 0 3 ，内含7 个驱动器，最大输出电流5 0 0 m a ，开关电压可 达5 0 v ，完全达到了驱动电机的要求。其内部原理框图如图2 9 所示。 l23456 78 = + 2 4 v 图2 9u l n 2 0 0 3 的管脚图及内部框图 二热敏打印头( w 2 1 6 - q s ) 的控制 w 2 1 6 一q s 型号的热敏打印头，其内部不仅含有由c m o s 集成芯片构成的1 7 2 8 位移位寄存器，还包含借助高密度厚膜工艺制成的加热元件，这些加热元件通过 锁存和切换晶体管驱动之后，就可在热敏打印纸上产生1 7 2 8 个点，对应的打印 宽度为2 1 6 衄，即8 d o t 衄。热敏打印头定义如表2 4 所示。 1 7 第二章优化的硬件电路设计 表2 4 热敏打印头接口 引脚号名称 l( + 2 4 v ) 2v h ( + 2 4 v ) 3v h ( + 2 4 v ) 4g n d 5g n d 6 g n d 7 v d d ( + 5 v ) 8 1 砸r m i s t o r 9两而 1 0 丽蕊 1 1而丽 1 2面丽 1 3 c l o c l 【 1 4