基于S3C44B0X的心電信號處理系統設計

本文設計了一個具有數字化、信息化特征的心電信號處理系統。該系統以 32 位高速 ARM 處理器為硬件平臺，以實時操作系統作為軟件平臺，對硬件系統的資源進行了調度和分配，達到了對心電信號進行實時處理的效果，并且實現了對心電信號的實時顯示、實時存儲等功能。

據統計，我國目前有縣及縣級以上醫院1.3萬家，醫療機械總數達17.5萬臺，加上一些專業心臟疾病治療機構，我國目前每年心臟疾病的門診量約在一千萬人次以上。根據國家衛生部《全國衛生信息化發展規劃綱要》的目標，在2010年要基本實現醫院的數字化和信息化。所以未來醫療器械市場對新型醫療設備的市場空間巨大，特別是擁有數字化和信息化特征的心電信號處理系統具有廣闊的應用前景和實用價值。本文就是介紹的一種基于ARM的心電信號處理系統設計。

系統總體設計

本文所介紹的系統的主要功能是對心電信號進行實時的處理和傳輸，系統原理框圖如圖1所示。



圖1 系統原理框圖

心電信號通過電極提取進入模擬處理模塊，在模擬處理部分經過放大和濾波處理后，提高了信號的強度和信噪比。信號經過量化后轉換成數字信號，進入數字處理模塊，在以ARM處理器為核心的數字處理模塊中，心電信號被保存在一個緩沖區中，經過實時操作系統的調度后，通過USB通道傳遞到PC上，PC的軟件模塊包含了對USB通道數據的接收和對心電信號的處理，經過處理后的心電信號進一步提高了信噪比，并顯示在屏幕上，從而達到協助醫生診斷心臟疾病的目的。

1 S3C44B0X處理器

S3C44B0X微處理器是Samsung公司專為便攜式設備提供的高性能和高性價比的微控制器解決方案，使用32位的低功耗RISC內核ARM7TDMI，采用0.25μm CMOS工藝制造，支持新型總線結構SAMBAII（Samsung ARM CPU embedded Microcontroller Bus Architecture）。同時，S3C44B0X在ARM7TDMI核的基礎上，擴展了一系列通用外圍器件，使系統成本及外圍器件數口降至最低，這些功能部件可以分為CPU單元、系統時鐘管理單元、存儲單元和系統功能接口單元。

片上集成的主要功能有：在ARM7TDMl基礎上增加8KB的Cache；外部擴充存儲器控制器（FP/EDO/SDRAM控制，片選邏輯）；LCD控制器最大支持256色的DSTN，并帶有1個LCD專用DMA通道；2個通用DMA通道、2個帶外部請求引腳的DMA通道；2個帶有握手協議的DART： 1個SIO；1個I2C總線控制器；5個PWM定時器及1個內部定時器；看門狗定時器；71個通用可編程I/O口，8個外部中斷源；功耗控制模式有正常、低、休眠和停止；8路10位ADC；具有日歷功能的RTC（實時時鐘）；PLL時鐘發生器。

2 實時操作系統μC/OS-II

μC/OS-II是一個完整的、多移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務內核。μC/OS-II是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編語言代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。至今，從8位到64位，μC/OS-II已在超過40種不同架構的微處理器上運行。世界上已經有很多領域都使用了μC/OS-II。

μC/OS-II是一個“實時內核”，使用這個內核可以使得應用程序的設計和擴展變得容易，而且不需要大的改動就可以增加新的功能。通過將應用程序分割成若干個獨立的任務，RTOS使得應用程序的設計過程大大簡化。

硬件系統設計

1 UART異步串行接口設計

在本文中，心電數據都是通過USB通道傳送到PC的，但是由于USB接口的復雜度，在調試USB器件時需要使用到異步串行接口。而且在某些老式的PC上不能使用或安裝USB驅動程序時，異步串行接口可以作為一種備用的低速傳輸方式，這樣也增加了系統的可擴展性。

圖2是在心電信號處理系統中帶有RS232電平轉換的S3C44B0X的串行接口電路連接圖。在圖中，RS232電平轉換芯片為MAX3232，其RxD０、TxD０和RxD１、TxD１分別連接S3C44B0X的第99、100和103、104引腳。



圖2 串口部分連接圖

2 USB設備接口電路設計

由于USB協議的復雜性，USB設備控制器必須能夠檢測、反應USB端口事件，提供數據存儲方式的功能。考慮到性價比和技術資料等因素，在本系統中選擇了支持USB1.1協議的PHILIPS公司生產的PDIUSBD12芯片。

圖3是PDIUSBD 12與S3C44B0X的硬件連接圖。在圖中，USBD 12的D0～D7腳分別連接S3C44B0X的數據總線D0～D7，A0連接S3C44B0X的地址總線ADR0 ，A0是地址位，當A0=1時，選擇命令指令；A0=0，選擇數據。J8是USB從接口（slave），可以通過USB電纜連接到PC的USB口。



圖3 USB接口電路

3 FLASH ROM電路設計

在心電信號處理系統中，S3C44B0X是硬件部分的中央處理器，而實時操作系統μC/OS-II是硬件資源的調度中心，它就存放在FLASH ROM中，在每次系統初始化之后，由S3C44B0X將其復制到SDRAM中后，再進行應用程序的執行。

在本系統中使用的是SST公司生產的容量為1M×16bit的多用途FLASH存儲器SST39VF160。ARM與FLASH接口電路如圖4所示。



圖4 ARM與FLASH接口電路


當S3C44B0X復位時，它立即從0x00000000地址處開始取指令執行。因此，系統啟動代碼放在了地址0x00000000處，并把定位在0x00000000處的存儲器稱為BOOT ROM，在ARM系統中，通常都采用能夠快速讀取并方便重新寫入的Flash ROM作為BOOT ROM。處理器對Flash ROM的接口不需要任何軟件上的設置，在系統第一次上電時，CPU就可對Flash ROM進行讀取了。

4 片外主存SDRAM的接口電路設計

在實時操作系統μC/OS-II中，每個任務都有獨立的堆棧，并且是由連續的內存空間組成。在心電信號的傳輸過程中，還需要一個緩沖區進行數據的存儲，包括系統軟件運行所需要的堆棧等。這些都需要系統的主存來分配空間。

S3C44B0X內部只有8KB的緩存，沒有能用來運行程序和存放臨時數據的RAM，所以必須外接SDRAM作為片外主存。在本文中，采用的是ICS公司生產的容量為1Mb×16×4Bank的IS42S16400。

S3C44B0X與SDRAM的連接圖如圖5所示。



圖5 S3C44B0X與SDRAM的連接圖

軟件系統設計

為了實現了對心電信號的量化和對數據的處理和傳輸，充分的利用μC/OS-II的實時性，并使軟件系統具有良好的可重用性，為以后對系統功能的擴展提供條件，本系統軟件設計如圖6所示。



圖6 軟件系統設計流程圖


抗干擾設計

心電信號傳輸到PC機端后，需要顯示到屏幕上，形成心電圖。在心電信號處理系統中采用的12導聯在屏幕上表現為12個心電波形，每一個波形都包含著特定的信息，但是要得到接近于理想的心電波形，就必須對信號進行預處理。

從測量技術上來說，心電信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，幅度為10μV～5mV，主要的頻率范圍為0.05～100Hz，因此，在心電信號的檢測、提取、放大及記錄過程中，有來自人體自身的干擾，如肌電干擾，也有來自外界的干擾如工頻干擾等。這些干擾使系統的信噪比下降，甚至會淹沒微弱的有效心電信號。因此，需要進行信號預處理以消除各種干擾。本文使用自適應噪聲抵消器來進行預處理，如圖7所示。



圖7 自適應噪聲抵消器消除噪聲的結構圖

結束語

實驗表明，本文設計的基于ARM的心電信號處理系統，對信號的采集和處理部分采用的軟硬件模塊化設計，提高了心電信號檢測的精度。設計的以ARM處理器為核心的軟硬件系統和USB通信接口，提高了系統的穩定性和可靠性，達到了預期的技術指標，為設計新型的心電信號處理設備提供了理論基礎和依據，此系統也將為心臟病變的診斷發揮重要作用。