便携式低功耗12导联数字心电图机的设计

【作 者】盛传广，杨翠微，邬小玫，汪源源，秦亚杰

1 复旦大学专用集成电路中心，上海市，200433

2 复旦大学信息科学与工程学院电子工程系，上海市，200433

0 引言

近年来，心脏病的发病率正逐步提升，标准的12导联心电图是医生诊断心血管疾病的主要依据之一，但临床的心电图机一般体积较大，设备复杂，不适合院外使用。随着微电子技术的发展，现代医疗仪器正朝着智能化、网络化、家庭化的方向发展。

人体心电信号的主要频率范围是(0.05～100)Hz，幅度约为(0～4)mV，信号十分微弱。并且心电信号中通常混杂有其它生物电信号，加之体外以50 Hz工频干扰为主的电磁场的干扰，使得心电噪声背景较强，测量条件比较复杂。为了不失真地检出有临床价值的干净心电信号，往往要求心电数据采集系统具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声及强抗干扰能力等性能。这就要求各通道有独立的模拟放大、滤波、模数转换模块。传统设计中采用分立元件来设计各个模块，故其体积往往比较大，功耗较高，限制了仪器的应用环境。

文中所介绍的便携式低功耗12导联心电图机，采用了TI公司高性能，低功耗DSP芯片[1]和模拟采集前端[2]，体积小、功耗低、精度高。

1 系统硬件设计

1.1 系统总体结构和功能

系统由模拟前端ADS1298将采集到的心电信号通过SPI(串行外设接口)送入DSP芯片TMS320C5515，利用提升小波变换对信号进行预处理[3]，并对信号进行实时的显示和存储。同时也可以通过USB接口将信号传送至上位机，进行离线的分析诊断。系统结构如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

1.2 电源电路

在本系统中所涉及的电压包括模拟前端ADS1298所需的模拟3 V电压和数字1.8 V电压，DSP芯片的内核电压1.3 V，I/O电压3.3 V以及锁相环电压、存储器电压、实时时钟电压等。电源部分设计时要满足系统的上电时序要求，同时各路输出电压能够满足系统各功能模块对电压精度的要求。

本设计中采用TI公司电源芯片TPS65023来满足上述要求。该芯片可提供三路降压式DC/DC转换器输出，两路低压差线性稳压器LDO输出，一路实时时钟电压输出。芯片同时提供了节电模式，软启动，热关断和电池备份功能，片上集成了I2C串行接口，可对相应的输出电压进行动态缩放，提供了多个电压比较器，用于监控输入输出电压，并为系统提供复位机制。系统的电源电路如图2所示，由于系统功耗较小可采用电池供电，提高了整机的便携性，不必依赖于市电，方便用户携带和使用。

图2 电源电路Fig.2 Power circuit

1.3 模拟采集前端

系统采用TI公司的模拟采集前端ADS1298[1]。该芯片内部有8个独立的通道，每个通道都配有低通滤波器，用来增益可调的差分放大器，高通滤波器和24 bit精度的 A/D转换器。每个通道共模抑制比大于100 dB，输入阻抗约为10 MΩ，A/D转换器的采样率从500 sps～32 ksps可调。同时由于采用集成电路技术，使得该模拟前端还有其他优势，如芯片的面积只有(8×8)mm2大小，大大减小了模拟采集前端的体积；芯片内部各通道的参数匹配性高，每个通道的输入参考噪声低，只有4 mV；每个通道输入偏执电流只有200 pA，使得模拟采集前端的每个通道只有0.75 mW的功耗。这些性能使得该模拟前端完全符合心电信号对模拟采集前端的要求。

除此之外，模拟前端还提供了丰富的ECG功能模块，包括右腿驱动模块、威尔逊中心电端和导联脱落检测模块。该模拟前端的内部结构如图3所示。在实际电路设计中，有6个差分放大器的负向端连接威尔逊中心电端，正向端分别连接6个胸电极，构成6路胸导联信号。剩余的2个放大器的输入端分别为(左手，右手)和(左腿，右手)构成I，II导联，通过双极导联和加压单极导联的关系可推导出其他4个肢体导联。这样就构成了标准的12导联心电图机。

图3 模拟前端Fig.3 Analog front end

1.4 DSP模块

系统采用的核心控制芯片是TI公司的TMS320C5515，这是一款高性能、低功耗的定点DSP芯片[4-5]。芯片内部有丰富的总线结构，包括一条程序总线，三条数据读总线，两条数据写总线以及DMA总线、外设总线等。在硬件资源上，芯片内部有两个17×17乘法器，一个40 bit算术逻辑单元(ALU)，一个16 bit的辅助ALU。这些硬件资源和总线结构提高了指令的执行效率，降低了功耗，为数字信号的实时快速处理提供了保障。同时芯片内部还有丰富的外设资源，包括UART、SPI、USB等串行接口，64 MB的外部存储器接口，液晶显示(LCD)模块接口等等。这些外设资源可使设计者在设计电路省去大量外围电路的设计，系统整体更加精简。系统通过SPI接口与模拟前端进行通信，当DSP芯片检测到ADS1298的DATE_READY信号时，读取ADC转换结果，进行分析处理，并通过LCD模块和大容量闪存进行实时的显示与存储。也可以通过DSP芯片的USB接口将心电数据传送到上位机。

1.5 存储与显示

扩展的存储器芯片选用三星公司的大容量闪存芯片K9F1G08U0A和美光半导体公司的闪存芯片PC28F128P30T85。K9F1G08U0A单片容量高达128 MB，属于NAND Flash 结构。存储器将数据线与地址线复用为8条I/O 线，另外还分别提供了命令控制信号线，命令、地址和数据信息均通过8 条I/O 线传输，从而极大方便了系统设计和产品升级。在本设计中，利用该大容量闪存芯片来存储心电数据。当系统的采样率为500 sps时，可连续存储2 h的12导联心电数据。对于存储的心电数据，还可以通过USB接口传送至上位机。PC28F128P30T85芯片为64 MB的NOR Flash，系统利用该芯片来存储程序。

显示功能选用内含SED1335控制器的液晶模块，分辨率是128×128。该模块特点是功耗低，抗干扰能力强，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LCM中送入相应的命令和数据即可显示所需信息，且与DSP接口简单，使用方便灵活。

图4 系统软件流程图Fig.4 The flowchart of system software

2 系统软件设计

2.1 主程序设计

系统软件部分采用C语言和汇编语言混和编程的方式，系统软件包括DSP芯片和外设的初始化，采集心电数据，进行心电数据的处理，实时显示和存储，以及响应USB中断进行USB通信等，其中对于心电数据的处理，由于计算量大，占用内存多等特点，采用汇编语言编程。软件流程图如图4所示。

2.2 提升小波变换

第一代小波变换是在欧式空间内通过基底的平移和伸缩构造小波基的，不适合非欧式空间的应用。因此提升小波变换应运而生。提升方案是把第一代小波变换过程分为三个阶段：(1)分解，将输入信号s(i)分为2个较小的子集s(i-1)和d(i-1)；(2)预测，在原始数据想关心的基础上用偶序列的预测值P(s(i-1))去预测技术序列d(i-1)；(3)更新，利用预测值对原值进行更新[3]。

提升小波变换是小波变换在空间域的完全解释，它具有许多优良的特性：结构简单、运算量低、原位运算、节省存储空间等特点，因此便于在高速处理的硬件设备上实现。

2.3 心电信号的预处理

心电信号在采集的过程中，受到很多因素的干扰。在前面的模拟前端中，虽然滤除了心电信号频带以外的大部分信号，但频带内干扰依然存在，如肌电干扰和工频干扰等，为了降低系统的功耗，提高系统的便携性，设计中没有采用专门的硬件滤波电路，而是利用DSP芯片在信号处理方面的优势，采用上述的提升小波变换方法进行滤波。

图5 系统实物图Fig.5 Photo of the system

3 结果

系统实物图如图5所示，印制电路板设计时，为了进一步减小电路板的尺寸，优化元件布局布线，同时也兼顾系统的成本，采用了四层印制电路板的设计方案，板子的实际尺寸为(13×7)cm2。系统采用电压为1.5 V的2节单电池供电，可连续工作20 h，待机时间为1周左右。大容量闪存芯片可无压缩存储2 h以上的心电数据。

实际采集的心电信号如图6所示。即可以同步显示12导联信号，也可以单独显示。

4 总结

图6 心电信号显示Fig 6 ECG signals

本文采用了TI公司的ADS1298作为心电信号的模拟采集前端，利用DSP芯片TMS320C5515实现数字滤波，既提高了系统的性能同时也减小了系统的面积，降低了系统的功耗，提高了系统的便携性。

系统可同步采集和显示12导联心电信号，连续无压缩存储2 h的心电数据，同时系统采用电池供电，可连续工作20 h，待机时间1周左右，方便用户随时随地记录和存储心电信号。也可以通过USB接口将存储的心电数据传送至上位机进行离线的分析。医务工作者可利用该设备在门诊或查房时观察和记录病人的心电信号，而不用病人专门去心电图室检查。患者也可以在日常生活和旅途中记录和存储自己的心电信号。由于存储的心电信号，可以通过USB传送至上位机，通过网络发送给医生，使得患者在家中也可以随访。

[1]陈鎏,张海南,王登科.基于DSP的心电信号检测系统[J].电子测量技术,2007,30(8): 99-102.

[2]魏厚杰,金安.ADS1298模拟前端的便携式生理信号采集系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2012,12(2): 36-39.

[3]姚成.心电信号智能分析关键技术研究[D].吉林大学,2012.

[4]代少升.TMS320C55X DSP原理及应用[M].北京: 高等教育出版社,2010.

[5]李海森.TMS320C55X系列DSP指令系统、开发工具与编程指南[M].北京: 清华大学出版社,2007.