1 引 言
数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。
DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理能力和高运行速度，是值得称道的两大特色。
2 系统结构
2．1 TMS320C32特点
TMS320C32是美国TI公司浮点C3X系列DSP器件的新一代产品,它针对C30和C31进行了简化和改进,具有如下的特点：
1）外接40 MHz的晶振,具有40 MFLOPS,20MIPS的运算速度,32位运算,强大的指令系统,所有指令单周期执行;
2）丰富的硬件资源,包括1个串行口,两个时钟,两个DMA控制信道,优先级可以设置,4级优先中断,支持多种的寻址方式,提高了信号处理的运算能力;
4）外部中断触发方式可选电平／边沿方式,内部中断矢量表地址可复位,程序引导可由芯片内部Boot Loader实现;
5）增加了两种节电运行方式,低功耗。
2．2 系统主要设计指标
主要包括以下特点：
1 多通路信号采样,可控制模拟多路开关采集16路信号,包括12路常规心电信号ECG、3路正交信号CMP和1路心率变异信号HRV;
2 A／D采样频率为16 kHz,分辩率为12 bit,转换高,线性误差为1／2 LSB;
4 有可编程逻辑芯片MACH实现逻辑控制;
5 其它部分,包括LCD图形点阵式液晶显示、输入按键。
2．3 信号采集系统
2．3．1 程序及数据存储器
存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存），也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。
多路心电信号实时采集的数据量比较大,10 s的常规12路ECG信号有240 k字节的数据量。系统选用大容量的快速闪存作为存储器。C32允许可变宽度的外部存储器接口,用作数据存储时,宽度可以是8／16／32位,用作程序存储时,宽度可以是16／32位。Atmel 27F080的数据存储时间是70 ns,符合快速接口的要求,允许任意位置数据的存储、擦除,与DSP的连接如图2所示。
DSPC32的内部RAM是512字,为增强其算法处理能力,外部扩展了32 kb的高速SRAM,由4片ISSI61C256－15构成,其存储速度是15 ns。
2．3．2 多路开关和A／D信号采集
经放大后的多路心电信号通过多路模拟开关后输入到A／D转换器,进行时分多路的信号采样。多路开关选用Max336 16路选1的开关。具体采集时由DSP控制逻辑器件确定所要采集的通路。
A／D转换由Max196完成。Max196能实现12bit模数转换,单5 V供电,内部有参考电压Vref转换电路,支持±10 V、±5 V、0～10 V、0～5 V的电压转换范围,由控制字确定输入信号的范围,A／D转换的速率可达100 ksps,具有低功耗的工作方式,输入输出引脚全部三态,与微处理器的接口简便,如图3所示。
在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路，叫做数据选择器，也称多路选择器或多路开关。有4选1数据选择器、8选1数据选择器（型号为74151、74LS151、74251、74LS151）、16选1数据选择器（可以用两片74151连接起来构成）等之分。
DSP往其写控制字启动A／D转换,A／D转换结束后,产生Int信号,连到DSP的Int1上,产生外部中断,DSP读取转换结果。系统的采样频率是16k,DSP的指令周期是50 ns,因此,在两次转换的间期,DSP有充足的时间进行数据处理,包括数据滤波、存储等。
2．3．3 MACH逻辑控制部分
系统的逻辑控制由MACH4 64／32（见图4）实现。MACH4 64／32是Vantis公司的第二代高密度、电可擦除、CMOS PLD器件,逻辑容量相当于1250个等效PLD门。在本系统中,MACH负责产生各外设的片选信号、模拟开关的计数控制信号、按键的编码等。
系统设置了4个按键,用于功能选择。由MACH对按键实现编码,确定按键代码D1D0,同时,产生按键中断信号连到DSP的Int2引脚上。
3 心电工作站的心率变异性分析
心率变异性（HVR）分析目前在临床研究中受到了普遍的重视,已成为心血管疾病及心电生理研究的热点。一般处理方法是采集短时（520点）或长时（24 h）心电信号R波的间期,从多个信号处理的角度进行分析,给出关键参数。本系统对心率信号采集处理的流程如图5所示。
系统设置包括设置采样频率fs＝1 kHz,模拟开关选择第16路。由于HRV分析的对象是心电波形的RR间期,在数据采样同时,就对波形的R波进行定位,找到R波位置,计算出相邻R波的间隔RR间期后存储。具体采用了如下措施：
1）数字滤波。采样的信号通过截止频率是150Hz的低通数字滤波器,实时滤除高频的干扰信号。
2）采用斜率跟踪的方法确定R波的位置。事先确定一个阈值,当采集波形的斜率变化超过阈值时,跟踪寻找斜率变化的位置,即R波所在的位置。
4 结束语
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