摘  要： 介紹12導聯數字心電圖機研制開發，采用雙CPU架構，包括數字信號處理TMS320F206和微控制器AT89C55。該儀器利用數字信號處理器TMS320F206PZ實現實時對心電信號進行濾波和心電參數計算;熱敏打印心電圖形和檢測結果;存儲病人的心電數據，心電圖形的回放打印，與PC機進行數據通主，建立病人的心電數據庫，進一步研究分析。
關鍵詞： 心電圖； 數字信號處理器； 數據采集； 熱敏打印

    數字心電圖機除了具備常規心電圖機[1]的優點外，還具有自身不可替代的優勢。雖然ECG(Electro Cardio Graph)信號可直觀地反映人體心臟的工作狀況，但由于心電信號本身就很微弱(一般只有mV級)，而在測量時外部干擾(如工頻干擾、肌電噪聲、呼吸干擾、基線漂移等)嚴重，所以在采集時具有較大的難度。心電圖機記錄ECG的方式從技術上可分為兩大類：單通道分步記錄式和多通道同步記錄式。由于受技術條件的限制,以前的心電圖機基本屬于前者。趨勢是由模擬式單通道記錄逐漸向數字式12導聯同步記錄ECG信號發展。開發的數字心電圖機技術要求如下：
    (1)具有自動分析功能時，可以對心率等參數進行計算，自動報告心律失常類別。
    (2)數字心電圖機的抗干擾能力強，對各種干擾采用數字濾波的方法,大大優于模擬心電圖機的性能指標。
    (3)準確度高,實時性好。數字化心電圖機采用高速、高精度A/D采集心電數據，將模擬量轉換為數字量。
    (4)自動測試分析功能。由于數字化心電圖機帶有自動分析系統，故其可以具備自動測量和心電圖解釋功能，可實時提供心率、R-R間期、S-T段等參考數據以輔助診斷。
    (5)心電信息的再現和保存。由于在數字化心電圖機中，心電信號經數模轉化后成為數字量存放于非易失性存儲器中，可隨時提取回放，或通過標準接口RS233傳送到計算機系統，有利于醫務人員對患者進行進一步診斷和心電信息交流。
    (6)友好人機接口界面。操作者可方便地選擇各種采集、濾波、打印方式，并可通過液晶顯示屏（LCD）顯示系統的工作狀態，以便隨時改變方式或工作狀態，獲得最佳數據。為了實現上述目標必須對心電圖的記錄、分析理論和技術進行多方面的研究，重點突破在低成本和低功耗的條件下,實現和滿足上述要求的硬件和軟件。
2 基于DSP與單片機技術的硬件架構設計
    TMS320F206（以下簡稱F206）是美國TI公司推出的一種性能價格比較高的定點DSP芯片[2]，全部采用靜態CMOS集成工藝制作而成。它以TMS320C2XX為基礎，但功耗更低。32 KB閃爍存儲器內嵌于DSP中，減小了系統體積，提高了系統穩定性，而且毋需專門的編程器(XDS510仿真器即具有編程功能)，從而減少了開發成本。在本系統中，F206負責數據處理及存儲打印等高速實時任務。經實踐表明，采用了該設計后充分發揮了F206速度快、精度高的特點，使系統能夠達到多通道實時高速同步采樣、處理及精度的指標要求。作為整機構成的基礎，系統的硬件設計直接影響到整機的性能與價格。為了縮小整機體積并降低功耗，必須在滿足系統性能要求的情況下盡可能減少硬件開銷。
2.1 系統硬件設計
    為了實現上述功能，將整個心電圖機的主體硬件系統分為三塊電路板，即放大電路板、電源板和系統板。這樣既有利于縮小系統的體積,方便以后的技術升級，同時還使得以后的生產裝配更為簡便。由于采用了多層印刷電路板和表面貼片封裝的集成芯片，使得走線縮短，整機體積減小，從而提高了整機的可靠性。在傳統的數字心電圖機中[4]，一般采取8051、80C196等普通單片機作為核心部件[2]，由于普通單片機采用的是馮·諾依曼結構，即程序指令和數據共用一個存儲空間，指令周期較長，多為微秒級，在實際應用中限制了采樣頻率及算法的實時性，一般只能對心電信號進行200 Hz或500 Hz采樣，且較難做到實時處理。而數字信號處理器(DSP)放棄了馮·諾依曼結構，采用哈佛結構，即將程序指令與數據的存儲空間分開，各有自己的地址與數據總線。這就使得處理指令和數據可以同時進行，從而大大提高了處理速度，指令周期多為納秒級且絕大部分為單周期指令，滿足實時信號處理的要求。在具有強大運算能力的同時，DSP處理器在控制處理方面卻不如普通單片機，如I/O口線較少，與慢速液晶顯示器難以實現“無縫”連接等，而51單片機能彌補這一缺陷。因此，DSP處理器與普通單片機結合，就能各取所長以獲得較高的性價比。系統硬件結構框圖如圖1所示。
    在圖1中，8路放大器分別對I、II、V1、V2、V3、V4、V5、V6 8個導聯精確放大1 000倍，而III、aVR、aVL、aVF 4個導聯的值可由I、II線性求出： III=II-I， aVR=(-I-II)/2,， aVL=(I-III)/2， aVF=(II+III)/2。根據美國心臟聯合會公布的標準，ECG信號頻率范圍為0.05 Hz~100 Hz (3 dB)，由香農取樣定理可知，對心電信號的采樣頻率須至少為200 Hz。但為了獲得心電信號更細節的信息，并提高分析精度，以1 000 Hz的高采樣率進行采樣[6]。這一工作由51單片機完成，當每路信號均采樣一點完畢即通過P3.4向DSP發出中斷信號INT1，DSP便可進行濾波，打印等工作。雙端口RAM用于51單片機與DSP處理器的并行通信。通過2片CPU將采樣與處理并行進行，這樣可大大提高采樣速度及處理能力。MAX232接口電路可用于DSP與PC機串行通信。AT89C55內部具有24 KB的EEPROM程序空間，TMS320F206片內也有32  KB的閃爍存儲器供程序存儲用[Y8]。但為了在系統研制階段對DSP系統方便地進行程序調試,還擴展了兩片32 K×8 BITS的高速靜態RAM(CY7C199)。為了進行仿真及閃爍存儲器的編程工作，JTAG接口電路也是必須的。

2.2 TMS320F206與AT89C55的高速數據通信
    在雙CPU系統中，為了充分利用雙CPU資源，將51單片機強大的控制功能與DSP處理器的快速處理功能有效結合，雙CPU之間的通信與協調顯得極其重要。而數據通信無非是兩種：串行通信及并行通信。若采用前者，首先是通信速度上受到波特率的限制，而且占用較多的CPU資源,另外,DSP的異步串行口須用于與PC機間的通信，而同步串行口則用于與熱敏打印機接口。為此，采用并行通信的方式：利用2 KB的雙端口RAM IDT7132來實現雙CPU之間的并行通信。IDT7132是目前被廣泛采用的一種并行通信器件，速度快、功耗低，尤其適用于雙CPU之間的通信。在對雙端口的設計中，主要是解決訪問仲裁問題。在雙端口RAM內部有一個訪問仲裁器用以協調兩邊的訪問請求。為此，在電路設計中必須將相關的引腳相連，同時與軟件相配合以保證兩邊的讀寫時序正確。雙CPU都必須對雙端口RAM單邊正確尋址訪問，否則將引起數據混亂或丟失。由于雙端口RAM在兩個CPU系統中的譯碼條件不一樣，所占的存儲空間也不一樣：在89C55系統中將地址線A13與右端片選端CER相連,則占用的數據空間可分配為C000h—C7ffh，在F206系統中通過GAL16V8進行譯碼，占用了數據空間的7800h—78ffh。雙端口RAM相當于兩片普通RAM加上一個連接兩邊的訪問請求仲裁器，因此其訪問條件不同于普通RAM：當某一CPU準備訪問雙口RAM中的某一單元前,須先判斷另一CPU是否正讀寫雙口RAM，若正在讀寫,則該CPU只能等待另一CPU訪問結束。如若DSP寫雙口RAM的某一單元可通過指令實現，而51機訪問雙口RAM可通過I/O口讀寫指令實現。而單片機訪問雙口RAM映射在外部RAM地址空間來實現。。為了避免兩個CPU訪問雙口RAM耗費過多的等待時間，可以通過合理的通信協議來減少某一CPU對雙口RAM的訪問次數。為此，只通過雙口RAM將51機接收到的鍵盤值及采樣值存放在雙口RAM中供DSP使用，而DSP僅將最后計算結果送給雙口RAM供51機控制液晶顯示用。
2.3 心電信號同步數據采集
    在儀器中采用了AD7888來完成心電信號的模數轉換。AD7888是一個高速低功耗12 bit ADC,用2.7 V~5.25 V單電源工作，最大轉換率125 KSPS。AD7888的輸入采樣/保持電路在500 ns內獲取一個信號，采取單端采樣方式，它包含8個單端模擬輸入，從AIN1~AIN8，模擬輸入電壓從0~VREF ，由于心電信號中含有低于0的信號成份，因此需要用電阻網絡進行轉換由于MCS-51機的串行數據通信口是8位，而AD7888一次收發16位數據，無法直接與51機的串行數據通訊口相連接,因此用軟件實現它們之間的數據通信，由P1口的P1.2產生串行時鐘SCLK，P3.0作DOUT，P3.1作DIN，P1.1作AD7888的片選端CS。它的VREF由LM336提供+5 V電壓。電路圖如圖2所示。所以通過電阻網絡使得心電信號輸入的動態達到-5 V~+5 V的范圍，滿足了心電信號前置放大器的要求。

2.4 基于點陣式LCD人機接口的設計
    為了便于醫生操作和控制，該系統配置了液晶顯示器件。依據本系統設計的總體目標，為了顯示中英文和心電圖波形，屏幕點陣不可過少，顯示面積必須足夠大。并且，由于該系統屬于便攜式醫療儀器，在設計時還須注意其功耗問題。為此，采用了一種目前使用較多的大屏幕160X128點陣式液晶顯示模塊DMF-5001N。它采用T6963作為點陣液晶顯示控制器，可以工作在字符或圖形方式下，并具有中文顯示功能。
    在儀器的系統軟件開發方面，對不同CPU的工作特點采用不同的開發語言[3]，以滿足該系統多功能的要求。由于AT89C55負責整個系統的運行管理，選取單片機高級語言KEIL C51語言來開發系統管理程序。為了保證DSP程序的高效、代碼短,采用匯編語言編寫DSP程序。由于新技術的綜合運用，保證了設計的12導聯數字心電圖機的技術的先進性、可靠性和安全性，達到了同類機型的技術水平[7]。特別是，熱敏打印機的采用，配合心電曲線和漢字混合打印技術，使打印出來的心電圖清晰，運行噪聲低。中文的心電輔助診斷報告便于醫生觀察和診斷，很適合國內醫療器械市場的需求。
參考文獻
[1] 關力編譯.1994年醫學電子學新進展[J].國外醫學生物醫學分冊，1994，17（4）
[2] TMS320C2XX User’s Guide (1997,Digital Signal Processing Solutions, Texas Instrument)[EB].
[3] 徐愛鈞,彭秀華.單片機高級語言C51應用程序設計[M].北京：電子工業出版社，1998.
[3] 馬忠梅，籍順心,張凱，等.單片機的C語言應用程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1999.
[4] 呂維雪.醫學儀器新進展[J].中國醫療器械雜志，1991，15(4).
[6] DASKLOVA V K. Developments in ECG acquisition, preprocessing parameter measurement and recording.IEEE Engineering in Medical and Biology. pp:50-58 0739-5175/98. March/April/1998
[7] 楊玉星, 尹冬元, 張德成. 基于數字信號處理技術的新型心電圖自動分析系統[J]. 航天醫學與醫學工程,2002,15(3):189-194.