基于DSP的数字化医学信号采集系统的研究

基于DSP的数字化医学信号采集系统的研究

王磊刘帅宋光

王磊刘帅宋光（中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所天津300192）

基金项目:国家自然科学基金资助项目(30672583)；中央级公益性科研院所基本科研业务专项。

作者简介：王磊(1982-)，男，硕士，主要研究方向：生物医学信号采集与处理、生物电阻抗技术。

【摘要】介绍了一种基于ADS1274与TMS320VC5502型数字信号处理器相结合的高精度四通道数字化医学信号采集平台。充分利用DSP的数字信号处理能力设计了IIR数字滤波器对采集到的数据进行数字滤波，并通过蓝牙通讯模块实现了与PC机无线数据传输。实验结果表明该数字信号采集系统具有电路设计简单、体积小、功耗低、信号采集实时性好、精度高、抗干扰能力强等多种优点。

【关键词】数字化采集；数字滤波；蓝牙通讯

【中图分类号】R814.42【文献标识码】B【文章编号】1008-6455（2010）09-0325-02

1绪论

目前在临床医学上最常用的心电图机、脑电图机、肌电图机、监护仪、诱发电位图仪、以及各类超声诊断设备设计制造的核心部分就是信号的采集。而人体电生理信号的幅度却只有几微伏到几毫伏的范围，且信号比较微弱很容易受外界干扰，但是这些信号却直接反映了人体的生命信息，在临床上具有非常重要的意义。为了实现对人体电信号的采集，通常需要加多级放大，将信号放大到比较大的幅度并进行模拟滤波再利用ADC进行采样，即传统的模拟信号采集处理方法；本文所要介绍的数字信号采集方法：在输入端只采用阻抗变换模块，将信号进行差分后直接接高精度ADC模块，然后利用DSP的数字信号处理能力设计数字滤波器的方法对数据进行滤波处理，实现对微弱信号的采集，并通过蓝牙模块实现与PC机的无线通讯。由于数字医学信号采集方法具有诸多传统模拟采集方法所不具备的优点，因此其必将成为以后技术发展的主流。

2系统硬件设计

系统硬件设计以DSP芯片（TMS320VC5502）为主控制芯片，通过ADS1274将阻抗匹配后的电信号进行高精度AD采样并传入DSP进行数字信号处理后，经由无线蓝牙通讯模块送PC机进行显示。整个硬件采集电路具有设计简单、体积小、功耗低、信号采集实时性好、抗干扰能力强等特点。系统设计结构如图1所示：

2.1系统主芯片介绍

2.1.1TMS320VC5502简介[1]:该芯片为TI公司TMS320C55XX系列16位定点DSP，具有低功耗、高性能等特点。在计算能力方面，VC5502具有强大的实时数字信号处理能力，工作时钟频率最高可达300MHz；具有双MAC单元，即最高600MMACS(MillionMultiply-AccumulatesPerSecond)，因此能够满足大部分信号处理算法的运算要求；提供了32K*16位片内RAM，为程序的运行提供了足够的内存空间；通过EMIF接口可与外部标准存储器空间实现无缝连接；外设丰富等特点。在功耗方面，VC5502是现在世界上能耗最低的芯片之一。VC5502的这些特点，非常适合作为本系统的主控制芯片。

2.1.2ADS1274简介[2]:ADS1274是德州仪器（TI）公司推出的一款24位高精度AD转换器。该AD芯片内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和FIR数字滤波器，可实现4通道同步采样，支持高速、高精度、低功耗、低速4种工作模式，具有62KHz的带宽，采样频率最高可达128KS/s。该芯片采用差动输入方式，所以输入端可直接与传感器或微小的电压信号相连；可通过设置相应的输入/输出引脚选择工作模式，无需寄存器编程，其数据输出可选择帧同步或SPI串行接口，便于连接至DSP，可满足要求严格的多通道医学信号采集应用。

2.2信号采集电路设计:由于人体的阻抗比较高，被测人体信号微弱易受干扰等因素，我们在信号采集的最前端进行阻抗匹配，其实质是放大倍数为一的射极跟随器，这样可以调节输入输出阻抗。经过阻抗匹配，根据仪表放大器的原理[3]，同时根据ADS1274差分输入的方式，设计了双运放差分放大信号检测电路，电路放大倍数为(1+2R2/R1)[(IN+)-(IN-)]，如图2所示。电路放大差模信号，抑制共模信号，差模放大倍数值越高，共模抑制比越高，当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制，同时减小温度漂移的影响。

2.3TMS320VC5509与ADS1274接口电路[4]：ADS1274提供SPI或FRAME-SYNC接口，可方便地实现与处理器的连接。该系统通过TMS320VC5502的多通道缓冲串口（McBSP）与ADS1274数据传输。TMS320VC5502与ADS1274的电路连接如图3所示。

2.4蓝牙通讯模块设计:系统通信模块主要是DSP与PC机之间的通信。这里我们选用的是无线蓝牙串口模块[5]，如图4所示。该串口模块上底板带有RS232接口，串口对用户而言是透明的。蓝牙芯片采用向前纠错编码，通信效率更高，自动跳频，抗干扰能力强。该模块成对使用，一主一从，分别接串口（出货时已配好对，上电给单个模块，闪得慢的为主机，闪得快的为从机）。主从成对使用不需要驱动程序，两个模块都上电就能传输。波特率最高可设置成1382400。这里我们选用厂家推荐的波特率115200。通过使用无线蓝牙模块，可以有效的减少通信线缆，为系统提供了方便。使用时只需将蓝牙接口上的RX/TX与DSP控制芯片上的RX/TX连接。

3系统软件设计

系统软件设计主要包括下位机程序设计、数字滤波器设计和上位机应用程序。

3.1下位机程序设计:下位机的软件设计主要包括DSP系统运行主程序和数据的采样控制、信号处理、传输控制等子程序。在系统上电后，系统进行初始化，然后进入一个无限循环，所有的事务都在无限循环中等待、处理。在无限循环里面，软件采用“中断——事务处理”的结构，所有的事务处理均由中断驱动。在不处理事务的时候，系统就进入空闲模式，以节省能量消耗。

3.2数字滤波器的设计:数字滤波器的设计与应用是本系统的一个特点，也是信号处理的关键。我们充分利用了DSP强大的数字信号处理能力，设计了接口方便的数字滤波程序，算法采用切比雪夫滤波算法，设计了低通、高通、带通、点阻、平滑滤波程序[6]，该滤波程序可以通过上位机进行控制，根据不同的需要可以进行自由设定，同时选择多种滤波的种类、滤波的截止频率，选择是否启用等。其接口如图5所示，通过上位机滤波器设置，设定相应的属性，点击确定，系统便会将采集到的数据自动进行相应的数字滤波。与传统医疗仪器设计进行模拟滤波对比，软件数字滤波不但滤波参数可以设置、滤波效果好，而且节约了成本，使仪器更加便携。

3.3上位机程序设计:为了便于用户可以在电脑上对设备进行操作控制同时对采集到的数据信息进行显示，我们通过VC设计了系统软件界面[7]。上位机软件主要为接口软件，用来完成与采集系统的通信，包括下达指令和数据传输，并将接收到的数据以文件形式保存。为了验证整个系统的工作状况，我们对心电信号发生器产生的不同心电信号进行四通道同时采集，结果如图6所示。采集结果显示，系统工作稳定，实现了预期目标。

4结束语

本系统充分利用了DSP强大的数字信号处理能力与高性能的24位AD采集芯片ADS1274的特点，以及无线蓝牙通讯模块的应用，从而大大简化了系统设计，提高了系统的稳定性与抗干扰能力。同时根据系统的需要，设计了上位机监控软件，可以方便灵活的改变系统参数，功能更加强大与灵活。系统经过反复试验结果表明该数字化信号采集系统与传统的信号采集系统相比具有电路设计简单、体积小、功耗低、信号采集实时性好、精度高、抗干扰能力强等多种优点。为今后监护型医疗仪器的小型化、精密化、便携化、无线化奠定了基础。

参考文献

[1]曾义芳编著.DSP基础知识及系列芯[M].北京航空航天大学出社,2006,P270-P271

[2]TexasInstrumentsIncorporated.ADS1274SimultaneousSampling,24-BitAnalog-to-DigitalConvertersDatasheet.http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ads1274.pdf,2007

[3]王保华主编.生物医学电子学[M].高等学校试用教材.P43-P45

[4]赵亚星、栾军英、姜航昌.基于ADS1274的可控式高精度数据采集系统设计[J].国外电子元器件，2008（11）：15-19

[5]李伟，吴效明.基于蓝牙技术的嵌入式多生理参数监护仪[J],嵌入式应用系统，2006，22（1-2）

[6]胡广书.数字信号处理-理论、算法与实现（第二版）[M].北京：清华大学出版社,1997,8,249-261

[7]精通MFC程序设计.姚领田编着.人民邮电出版社2006