基于 DSP 的生物医学信号检测系统的设计

基金项目：本文得到山西省自然科学基金资助（编号：2006011036）基于DSP的生物医学信号检测系统的设计胡宝旭宋文爱李墅娜（中北大学信息与通信工程学院山西太原030051）摘要：介绍了一个基于AD和DSP的生物医学信号检测系统，阐述了该系统的软硬件设计和预处理电路，详细论述了TL320AD50C的工作方式以及AD与DSP的接口电路和软件实现,昀后通过实验证明该系统可以成功的检测到人体心跳信号并进行显示。关键字：信号采集数字信号处理生物医学信号分类号：TP274+.2文献标识码：AThedesignofBiomedicalsignalsdetectionsystembasedonDSPHuBao-xuSongWen-aiLiShu-na(NorthUniversityofChina,SchoolofInformationandCommunicationEngineeringTaiYuan,ShanXi030051)AbstractAbiomedicalsignalsdetectionsystembasedonADandDSPisintroduced,thispaperexpatiatedthehardware、softwareandthepretreatedcircuitryofthesystem，discussedtheworkingprincipleofTL320AD50Candgavetheinterfacecircuitry、softwareimplementationbetweenADandDSP.Theresultsoftheexperimentshowsthattheheartbeatsignalscanbedetectedanddisplayedsuccessfully.KeyWordssignalsamplingDSPBiomedicalsignals0引言生物医学信号的采集和处理是生物医学工程的一个重要领域，也是近年来迅速发展的数字信号处理技术的一个重要应用方面。由于人体的脉象、心跳等信号具有信号微弱（频率范围大约在0.01～100Hz,幅值基本在0～4mV），噪声干扰严重、随机性强等特点，因此对于脉象、心跳等生物医学信号的采集和处理具有十分重要的意义[1]。该系统通过预处理电路对信号进行放大和滤波，放大有用信号、滤除噪声和工频干扰等，然后送入AD进行采集，昀后通过DSP进行后续处理。实验证明该系统可以成功检测到脉象和心跳信号，并具有精度高、电路结构简单、系统功耗低等特点。1系统硬件设计系统硬件电路主要包括前端预处理电路和数据采集电路两个部分，预处理电路主要作用是放大脉象、心跳等微弱信号，滤除其它噪声干扰以及工频干扰等，数据采集部分主要功能是实现对信号的采集然后送至DSP完成后续的信号处理。1.1预处理电路的设计图1预处理电路框图预处理电路主要包括前置放大、滤波和主放大等几个部分[2]。如图1所示，由于预处理电路是对脉象、呼吸等微弱低频信号进行放大和滤波，因此，前置放大在系统中有着很重要的作用。由于系统噪声背景强且信号源阻抗较大，因此通常要求前置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比，而且所选运放的输入失调电压要小，这样才能保证信号不失真并具有较高信噪比。为此我们可以选择低漂移、高输入阻抗、高灵敏度的运算放大器OP-27c作为前置放大器，并采用同向放大器的电路形式，同时在放大器前端设置电压跟随器以有效的提高电路的输入阻抗。另外，为防止前置放大器工作于饱和区或截止区，其增益不能过大。实验表明,10倍左右效果比较好。前置放大之后进入带通滤波电路滤除干扰和噪声，带通滤波由双运放OP2177构成。前置放大带通滤波主放大带阻滤波OP2177具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片内集成了两个运放，可灵活组成各类放大和滤波电路。由于心电信号频带主要集中在0.05～100Hz左右，频带较宽，为此，采用OP2177的两个运放分别设计二阶压控有源高通和低通滤波器合并组成一个带通滤波。为了不损失信号的低频成份和高频成份，低通滤波的截止频率可以设计为0.03Hz,高通滤波的截止频率设为130Hz。主放大是对脉象和呼吸等微弱信号进行放大的主要环节，采用双运算放大器LF353N，这样有利于减小电路体积，因为信号的幅度大约在0～4mV，而A/D要求的输入信号大约在1V左右，因此，整个信号电路的放大倍数需1000倍左右。而前置放大约10倍左右，因此主放大设计为100倍左右。在检测过程中，直流电源、周围环境中的输电线路等，都会对信号产生50Hz的工频干扰，且频率处于信号的频带之内，加上电路不稳定等因素，前级电路输出的信号仍存在较强的工频干扰。虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用，但有部分工频干扰是以差模信号方式进入电路的，所以必须另外滤除，因此可以在电路中加入50Hz带阻滤波器滤除由其他电路耦合进来的工频干扰,同样通过双运算放大器LF353N来实现。1.2采集电路的设计1.2.1AD和DSP芯片选择DSP选用TI公司推出的C54x系列定点DSP芯片TMS320VC5402[3]，该芯片具有灵活的指令系统和操作性能，采用改进的哈佛结构，指令流水线操作。计算和处理速度很高，系统单指令周期可达到10ns。在片内提供16k的RAM用作程序和数据存储，其昀大可扩展寻址空间为1M字节。C5402提供的McBSP串口和DAM数据传送方式极大地方便它在通信领域的应用和开发。A/D的选取主要考虑所采信号的精度及与DSP的速度匹配等因素,综合考虑选用TI公司推出的一款SIGMA-DELTA型单片音频接口芯片TL320AD50C，它内部集成了16位的D/A和A/D转换器，采样频率昀高可达22.05KHz，内含抗混叠滤波器和重构滤波器的模拟接口芯片，它有一个能与许多DSP芯片相连的同步串行通信接口。AD50内部有7个数据和控制寄存器，用于编程控制它们的工作状态。1.2.2AD和DSP接口电路AD50与TMS320VC5402是以SPI方式连接的。AD50工作在主机模式（M/S=1），提供SCLK(数据移位时钟）和FS（帧同步脉冲）,TMS320VC5402工作于SPI方式的从机模式。CLKX和FSX为输入引脚，在接数据和发数据时都是利用外界时钟和移位脉冲。AD50与VC5402之间的数据传送采用串行方式，分为首次通信和二次通信，在首次通信中有两种传输模式：16位和15+1位传输模式，可通过控制寄存器设定，默认情况下为15+1位模式，此时，昀低位D0表示二次通信请求位，二次通信只有在发出请求时产生，当首次通信采用15+1位模式时，可以进行二次通信请求[4]。二次通信数据格式如表1所示：D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0M/S0R/W控制寄存器地址控制寄存器数据表1AD50寄存器D13=1为读控制寄存器数据，D13=0对控制寄存器写数据。通过二次通信，可以实现对AD50初始化和修改AD50内部控制寄存器。AD50与TMS320VC5402的接口电路如图2所示,AD50的串口时钟SCLK信号作为McBSP的发送时钟信号CLKX和接收时钟信号CLKR；McBSP的发送帧同步引脚FSX、接收帧同步引脚FSR与AD50的帧同步信号连到一起，使McBSP的发送、接受帧同步时钟信号与AD50一致。AD50的数据输出引脚DOUT和输入引脚DIN分别与McBSP的数据接收引脚DR和数据发送引脚DX相连。将AD50设置在主动工作模式下，即由AD50提供帧同步信号和移位时钟，选择INP和INM作为ADC的输入。DSP可以通过通用XF对AD50进行操作，系统可以采用软件（FC接地）也可以采用硬件申请二次通信。图2AD与DSP接口电路由于TMS320C542芯片内部不带FLASH程序存储器，因此利用外部FLASH存储DSP的应用程序。本系统采用AMD公司的AM29F010芯片作为片外FLASH，该芯片具有128K字节存储空间、8位数据位，支持在线烧写功能[5]。2系统软件设计软件设计主要包括C5402的McBSP初始化、AD50的初始化、数据读取和信号处理等部分[6]。系统流程图如图3所示。图3软件流程图在设置McBSP时，先让串口的XRST=0,RSTR=0,GPST=0,使串口处于初始化状态，然后对控制寄存器进行设置，如SPCR、PCR、XCR等，使DSP串口工作在以下状态：以串口模式运行，每帧一段，每段一个字，每字16位，采样率发生器由DSP内部产生，帧同步脉冲低电平有效，并且帧同步信号和移位时钟信号由外部产生，昀后让XRST=1,RSTR=1,GPST=1退出复位状态。AD50C的设置通过二次通信来读写控制寄存器，二次通信有两种方法实现，一是硬件方式，FC必须在FS的上跳沿被拉高，这样AD50C会在后128个SCLK后切换到二次通信模式下；二是软件方式，此时必须工作在15+1位模式下，当写入的数字D0位为1时，则可以在INPSCLKINMFSDOUTDINRESETM/SMCLKCLKXCLKRFSXFSRDRDXXF输入AD50CVC54028.192MHz3.3V开始初始化McBSP初始化AD50开中断并设置接收数据缓存软件等待数据传送是否完毕进入下一步处理是否后128个SCLK后切换到二次通信模式下。然后对AD50的4个用户可编程寄存器进行设置，使AD50C工作在以下状态：以INP/INM为工作模拟输入，15+1位ADC和15+1位DAC模式，不带从机，采样频率为500Hz，模拟信号输入和输出放大增益均为0dB。读取数据时采用中断采集，当中断产生时，进入中断子程序开始读取数据，并将数据放至预先开辟的缓冲区。下面给出部分McBSP和AD50C的初始化程序代码：McBSP串口初始化STM#00h,SPSA1;SPCR11STM#00h,SPSD1;串口控制寄存器1清零STM#01h,SPSA1;SPCR21STM#00h,SPSD1;串口控制寄存器2清零STM#02h,SPSA1;RCR1（接受控制寄存器1）STM#0040h,SPSD1;设置DSP串口1工作在每帧一个字，每个字长度16位……AD50寄存器设置CR1.set0100H;软件请求二次通信，15+1位模式CR2.set0200HCR3.set0300HCR4.set0300H;设置采样频率Quest2stCOM.macro;请求二次通信……3结果本文利用HK2000Cv2.0脉搏传感器采集人体心跳信号，经过预处理电路放大、滤除噪声，然后通过AD50进行采集，送入DSP，在CCS里显示信号波形，如图4所示。可以看到CCS里能够清楚地显示出心跳信号的波形。图4心跳信号输出波形4结束语本文介绍了脉象、心跳等生物医学信号的检测，详细论述了信号采集的预处理电路以及AD50与TMS320VC5402的接口和通信方式，并给出了部分AD50和VC5402的初始化代码，经试验证明该系统可以成功的检测到人体的脉象和心跳信号。本文作者创新观点：脉搏、心跳等生物医学信号属于微弱低频信号，随机性比较强，用通常的传感器直接采集会引入大量的噪声和工频干扰，而且采集结果会因各种因素而发生变化，系统不够稳定，信噪比较低。本文首先通过预处理电路对心跳等微弱信号进行处理，放大有用信号，滤除噪声，并通过50Hz的带阻滤波器抑制了工频干扰，有效的改善了信号的信噪比，方便了后续的采集。该系统采用AD和DSP来进行信号的采集和处理，代替了传统的AD和PC，减小了设备的体积和功耗，提高了便携性，并具有速度快、实时性强的特点，满足了课题的需要。参考文献:[1]杨福生,吕扬生.生物医学信号的处理和识别[M].天津科技翻译出版公司，1997.[2]路国华.生物雷达目标信息识别技术的实验研究.第四军医大学博士学位论文[D].2005[3]TMS320C54XDSPReferenceSetVolume1-5.TICompany,2001[4]谢奕胜,向平.TLC320AD50C在DSP系统中的应用与设计[J].世