基于TMS320LF2407A DSP心电监护系统
2010-12-18 10:34:42
来源：《半导体器件应用》2009年12月刊
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1 引言
随着社会的发展和人们生活水平的提高，人们对健康的重视程度日益增加，但是伴随着生活水平的提高心血管疾病的发病率不断攀升。
特别是近年来随着社会老龄化的加剧，心血管疾病成了威胁人类生命的主要疾病，心脏病成了世界上死亡率最高的疾病。鉴于心血管疾病患者日益增多的严峻形势，提高预防和监测该疾病的手段势在必行。而心电信号检测是发现心脏病的最直接手段，但目前医院用的心电监护仪几乎全部是进口的，价格昂贵、维护费用高，加重了医院和患者的经济负担。因此，设计一种便携、经济的心电监护设备具有重要意义。本文设计了一种基于TI公司TMS320LF2407A DSP的心电监护系统，此系统体积小、成本低、实用性强。
2 TMS320LF2407A DSP介绍
心电监护系统很重要的一部分就是对心电信号进行处理，因此选一款合适的信号处理器十分重要。当前最成功的DSP芯片当数美国TI公司的系列产品，其主推的三大DSP平台TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000已经成为当今世界上最有影响力的DSP芯片。
本系统采用TMS320LF2407A为信号处理器和核心控制器。TMS320LF2407A是TI公司推出的新型高性能16位定点数字信号处理器，是TMS320C2000系列的新成员。它专门为数字控制设计，集DSP的高速信号处理能力及适用于控制的优化外围电路于一体，是真正的单芯片控制器，在数字控制系统中得到了广泛应用。
TMS320LF2407A DSP具备以下特点：
(1)采用高性能静态CMOS技术，使供电电压降为3.3V，降低了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使指令周期缩短到25ns，从而提高了控制器的实时控制能力。
(2)基于TMS320C2xx DSP的CPU内核，保证了TMS320LF2407A DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。
(3)片内有高达32KB的FLASH程序存储器，高达1.5KB的数据/程序RAM，544字双口RAM(DARAM)和2KB的单口RAM(SARAM)。
(4)两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括两个16位通用定时器和8个16位脉宽调制(PWM)通道。
(5)可扩展的外部存储器总共192K字空间：64K字程序存储器空间，4K字数据存储器空间和64K字I/0寻址空间。
(6)看门狗定时器模块(WDT)。
(7)10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。
(8)控制器局域网络(CAN)2.0B模块。
(9)串行通信接口(SCI)模块。
(10) 16位串行外设(SPI)接口模块。
(11)基于锁相环的时钟发生器。
(12)高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)。
(13)5个外部中断（两个电极驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）。
(14)电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗模式。
(15)具有加密功能，密钥长度64位。
3 系统硬件结构
整个系统可分为心电信号采集部分和信号处理部分。信号处理部分以TMS320LF2407A为处理器，扩展了外部存储器、液晶显示、按键和串行通讯接口等。
电源是系统工作的首要条件，本系统采用5V和3.3V两种电压，系统输入电源电压为5V直流，因此需要转换。本系统采用AMS1117-3.3进行5V~3.3V电压转换，发光二极管D3为电源指示灯。
心电图(ECG)采集电路通过传感器采集心电信号，然后把采集的模拟信号送到TMS320LF2407A内部集成的10位A/D输入端进行A/D转换，采用由两个事件管理器来触发一个16通道输入的A/D转换器的方式来提高转换精度，以精确采集微弱的心电信号。
TMS320LF2407A内部集成了1.5K RAM和32K FLASH，32K FLASH容量已基本够用，而内部的RAM存储空间太小。为保存大量的采样数据、运算的中间结果和提高系统的运行速度，系统增加了外部数据存储器(RAM)和外部程序存储器(RAM)，分别用TMS320LF2407A的PS和DS信号进行片选。本系统采用的RAM存储器是两片IS61LV6416-10T，它的存储容量为64K 16位。数据存取时间为10ns，能满足高速运行的需要，工作电压为3.3V，与DSP工作电压一致，无需电平转换电路。
液晶显示模块用来显示心电图，使用户在没有PC机的情况下也可以直观地观察到心电图。心电图也可以通过串口和PC机相连由PC机显示。在不用来显示心电图时，液晶可以显示系统状态和其他信息。此液晶模块内含SED1335控制器，分辨率为128×128，该模块特点是功耗低、抗干扰能力强，模块上集成了液晶显示控制器、驱动器、RAM，ROM和LCD显示器，使用时只需向模块送入相应的命令和数据即可显示所需信息。与DSP接口简单，使用方便灵活。 TMS320LF2407A是3.3V供电，液晶模块是5V电源供电，所以它们之间要通过电平转换电路连接，本系统采用SN74LV16345A来实现电平匹配。
TMS320LF2407A集成了一个全双工异步串口，可以实现心电模块和PC机或者其他设备的通信。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MAX232，它采用+5V单电源供电，电路简单，使用方便。
为了方便设置，系统还增加了按键模块，用户可以通过按键来控制系统的一些功能，如启动和停止等。
4 软件设计
了解和分析心电的特征是研究心电信号检测的基础，针对心电在不同频段的特征，设计相应频段的检测算法，这是软件设计的重要任务。
心电图是由一系列的波组所构成，每个波组代表着每一个心动周期。一个波组包括P波、QRS波群、T波及U波，研究表明心电主要的波段在QRS波，R波以及P波段。心率变异性(HVR)分析目前在临床研究中受到了普遍的重视，是分析心电异常的主要方法。心率变异性分析的对象是心电波形的RR间期，系统在对数据采样时，就对波形的R波进行定位，找到R波位置，并计算出相邻R波的间隔RR间期，然后存储。系统软件的任务就是把采集到的心电信号进行滤波，然后进行心率变异性分析，计算出RR间期，最后把最终的心电图显示在液晶屏幕上。
所有程序调试结束后，用仿真器的FLASH烧写程序通过JTAG口将目标代码下载到TMS320LF2407A的FLASH中去，实现整个系统的独立运行。
5 结束语
本文设计了一种以TMS320LF2407A DSP为信号处理器的心电监护系统，该系统把心电信号的采集、分析和显示集成于一体，而且系统体积小、成本低、便于携带、实用性强。
随着社会的发展和人们生活水平的提高，人们对健康的重视程度日益增加，但是伴随着生活水平的提高心血管疾病的发病率不断攀升。
特别是近年来随着社会老龄化的加剧，心血管疾病成了威胁人类生命的主要疾病，心脏病成了世界上死亡率最高的疾病。鉴于心血管疾病患者日益增多的严峻形势，提高预防和监测该疾病的手段势在必行。而心电信号检测是发现心脏病的最直接手段，但目前医院用的心电监护仪几乎全部是进口的，价格昂贵、维护费用高，加重了医院和患者的经济负担。因此，设计一种便携、经济的心电监护设备具有重要意义。本文设计了一种基于TI公司TMS320LF2407A DSP的心电监护系统，此系统体积小、成本低、实用性强。
2 TMS320LF2407A DSP介绍
心电监护系统很重要的一部分就是对心电信号进行处理，因此选一款合适的信号处理器十分重要。当前最成功的DSP芯片当数美国TI公司的系列产品，其主推的三大DSP平台TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000已经成为当今世界上最有影响力的DSP芯片。
本系统采用TMS320LF2407A为信号处理器和核心控制器。TMS320LF2407A是TI公司推出的新型高性能16位定点数字信号处理器，是TMS320C2000系列的新成员。它专门为数字控制设计，集DSP的高速信号处理能力及适用于控制的优化外围电路于一体，是真正的单芯片控制器，在数字控制系统中得到了广泛应用。
TMS320LF2407A DSP具备以下特点：
(1)采用高性能静态CMOS技术，使供电电压降为3.3V，降低了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使指令周期缩短到25ns，从而提高了控制器的实时控制能力。
(2)基于TMS320C2xx DSP的CPU内核，保证了TMS320LF2407A DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。
(3)片内有高达32KB的FLASH程序存储器，高达1.5KB的数据/程序RAM，544字双口RAM(DARAM)和2KB的单口RAM(SARAM)。
(4)两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括两个16位通用定时器和8个16位脉宽调制(PWM)通道。
(5)可扩展的外部存储器总共192K字空间：64K字程序存储器空间，4K字数据存储器空间和64K字I/0寻址空间。
(6)看门狗定时器模块(WDT)。
(7)10位A/D转换器最小转换时间为500ns，可选择由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D转换器。
(8)控制器局域网络(CAN)2.0B模块。
(9)串行通信接口(SCI)模块。
(10) 16位串行外设(SPI)接口模块。
(11)基于锁相环的时钟发生器。
(12)高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚(GPIO)。
(13)5个外部中断（两个电极驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）。
(14)电源管理包括3种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗模式。
(15)具有加密功能，密钥长度64位。
3 系统硬件结构
整个系统可分为心电信号采集部分和信号处理部分。信号处理部分以TMS320LF2407A为处理器，扩展了外部存储器、液晶显示、按键和串行通讯接口等。
电源是系统工作的首要条件，本系统采用5V和3.3V两种电压，系统输入电源电压为5V直流，因此需要转换。本系统采用AMS1117-3.3进行5V~3.3V电压转换，发光二极管D3为电源指示灯。
心电图(ECG)采集电路通过传感器采集心电信号，然后把采集的模拟信号送到TMS320LF2407A内部集成的10位A/D输入端进行A/D转换，采用由两个事件管理器来触发一个16通道输入的A/D转换器的方式来提高转换精度，以精确采集微弱的心电信号。
TMS320LF2407A内部集成了1.5K RAM和32K FLASH，32K FLASH容量已基本够用，而内部的RAM存储空间太小。为保存大量的采样数据、运算的中间结果和提高系统的运行速度，系统增加了外部数据存储器(RAM)和外部程序存储器(RAM)，分别用TMS320LF2407A的PS和DS信号进行片选。本系统采用的RAM存储器是两片IS61LV6416-10T，它的存储容量为64K 16位。数据存取时间为10ns，能满足高速运行的需要，工作电压为3.3V，与DSP工作电压一致，无需电平转换电路。
液晶显示模块用来显示心电图，使用户在没有PC机的情况下也可以直观地观察到心电图。心电图也可以通过串口和PC机相连由PC机显示。在不用来显示心电图时，液晶可以显示系统状态和其他信息。此液晶模块内含SED1335控制器，分辨率为128×128，该模块特点是功耗低、抗干扰能力强，模块上集成了液晶显示控制器、驱动器、RAM，ROM和LCD显示器，使用时只需向模块送入相应的命令和数据即可显示所需信息。与DSP接口简单，使用方便灵活。 TMS320LF2407A是3.3V供电，液晶模块是5V电源供电，所以它们之间要通过电平转换电路连接，本系统采用SN74LV16345A来实现电平匹配。
TMS320LF2407A集成了一个全双工异步串口，可以实现心电模块和PC机或者其他设备的通信。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MAX232，它采用+5V单电源供电，电路简单，使用方便。
为了方便设置，系统还增加了按键模块，用户可以通过按键来控制系统的一些功能，如启动和停止等。
4 软件设计
了解和分析心电的特征是研究心电信号检测的基础，针对心电在不同频段的特征，设计相应频段的检测算法，这是软件设计的重要任务。
心电图是由一系列的波组所构成，每个波组代表着每一个心动周期。一个波组包括P波、QRS波群、T波及U波，研究表明心电主要的波段在QRS波，R波以及P波段。心率变异性(HVR)分析目前在临床研究中受到了普遍的重视，是分析心电异常的主要方法。心率变异性分析的对象是心电波形的RR间期，系统在对数据采样时，就对波形的R波进行定位，找到R波位置，并计算出相邻R波的间隔RR间期，然后存储。系统软件的任务就是把采集到的心电信号进行滤波，然后进行心率变异性分析，计算出RR间期，最后把最终的心电图显示在液晶屏幕上。
所有程序调试结束后，用仿真器的FLASH烧写程序通过JTAG口将目标代码下载到TMS320LF2407A的FLASH中去，实现整个系统的独立运行。
5 结束语
本文设计了一种以TMS320LF2407A DSP为信号处理器的心电监护系统，该系统把心电信号的采集、分析和显示集成于一体，而且系统体积小、成本低、便于携带、实用性强。
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