TMS320C5515：心电 （ECG）MDK开发方案

TI 公司的TMS320C5515 DSP医疗开发套件（Rev. B）支持完整的医疗应用开发，如心电图（ECG）、数字听诊器和脉冲血氧计等。典型应用包括模拟前端（AFE）、信号处理算法以及用户控制与交互。 TMS320C5515是低功耗定点数字信号处理器（DSP），采用TMS320C55x DSP处理器核，内核工作电压1.05V/1.3V、I/O电压为1.8/2.5/2.75/3.3V。16.67/13.33/10/8.33-ns指 令周期，时钟速率60-,75-,100-,120-MHz，具有320kB 片内RAM。

ECG设计

TMS320C5515定点数字信号处理器是TI公司TMS320C5000 定点数字信号处理器（DSP）产品系列的成员之一，面向低功耗应用。

定 点DSP基于TMS320C55x DSP系列CPU处理器内核。C55x DSP架构通过提高并行化和集中精力节省功耗而实现了高性能与低功耗。CPU支持由1条程序总线、1根32位数据读出总线、2根16位数据读出总线、2根 16位数据写入总线和其他外设与DMA活动专用总线组成的内部总线结构。这些总线提供了在单个周期内执行4次16位数据读出和2次16位数据写入操作的功 能。该器件还包含4个DMA控制器，每个都具有4根通道，无需CPU干预即可在16条独立通道的环境下实现数据传送。在CPU活动过程中或独立于CPU活 动，每个DMA控制器每周期都可以执行1次32位数据传送。

C55x CPU提供了2个乘累加（MAC）单元，每个单元在单个周期内都可以执行1次17位×17位乘法和1次32位加法。中央40位运算/逻辑单元（ALU）得 到了另一个16位ALU的支持。ALU的使用受控于指令集，提供了优化并行活动与功耗的能力。这些资源存放在C55x CPU的地址单元（AU）和数据单元（DU）内。

图1 TMS320C5515方框图

图2 医疗开发套件（MDK）硬件方框图

C55x CPU支持可变字节宽度指令集，从而提高了代码密度。指令单元（IU）从内部或外部存储器获取32位程序，并针对程序单元（PU）排列指令。程序单元对指 令进行解码，将任务指向地址单元（AU）和数据单元（DU）资源，管理受到全面保护的流水线。提前转移功能可以避免执行条件指令时发生流水线排空的情况。

通 用输入和输出功能以及10位SAR ADC为LCD显示器、键盘和媒体界面提供了充足的状态、中断和比特位I/O引脚。通过2个多媒体卡/安全数字（MMC/SD）外设、4个Inter- IC Sound（I2S BusTM）模块、1个具有4种芯片选择的串行端口接口（SPI）、1个I2C多主-从接口和1个通用异步接收器/发射器（UART）接口实现了串行媒体 支持。

器件外设集包括1个外部存储器接口（EMIF），可以无缝访问异步存储器（如EEPROM、NOR、NAND和SRAM）和高速、 高密度存储器（如同步DRAM（SDRAM）和移动SDRAM（mSDRAM））。其他外设包括：高速通用串行总线（USB2.0）仅Device模式和 实时时钟（RTC）。该器件还包含3个通用定时器（其中1个可配置成看门狗定时器）和1个模拟锁相环（APLL）时钟发生器。

此外，该器 件还包含1个紧耦合FFT硬件加速器。紧耦合FFT硬件加速器支持8点~1024点（2的乘幂）实数和复数FFT。并且，该器件还含有3个集成式 LDO（DSP_LDO、ANA_LDO和USB_LDO），可以为器件的不同部分供电。DSP_LDO可以为DSP内核（CVDD）提供 1.3V~1.05V的电压。为了实现功耗最低的操作，编程器可以在外部电源为RTC（CVDDRTC和DVDDRTC）供电的时候关闭内部 DSP_LDO，从而降低了DSP内核（CVDD）的功耗。ANA_LDO设计用于为DSP PLL（VDDA_PLL）、SAR和电源管理电路（VDDA_ANA）提供1.3V的电压。USB_LDO为USB内核数字（USB_VDD1P3）和 PHY电路（USB_VDDA1P3）提供了1.3V的电压。RTC警报中断或唤醒引脚可以重新启动内部DSP_LDO，重新为DSP内核供电。

该 器件得到了业内获奖的eXpressDSPTM、Code Composer Studio 集成开发环境（IDE）、DSP/BIOS 、Texas Instruments算法标准和业内最大的第三方网络的支持。Code Composer Studio IDE具有代码生成工具，包括C编译器和连接器、RTDXTM、XDS100TM、XDS510TM、XDS560 仿真器件驱动器与评估模块。该器件还 得到了C55x DSP库的支持，其具有50多种基本软件内核（FIR滤波器、IIR滤波器、FFT和各种数学功能）和芯片支持库。

图3 ECG板外形图

图4 安装在C5515 EVM的ECG前端外形图

TMS320C5515的主要特性

高性能/低功耗C55xTM定点DSP

16.67/13.33/10/8.33-ns指令周期时间

60、75、100和120MHz时钟速率

320kB片上RAM

16/8位外部存储器接口（EMIF）

2个多媒体卡/安全数字I/F

具有4种芯片选择的串行端口I/F（SPI）

4个Inter-IC Sound（I2S Bus ）

USB 2.0全速和高速器件

带有异步接口的LCD桥

紧耦合FFT硬件加速器

10位4-输入SAR ADC

具有晶体输入的实时时钟（RTC）

4个内核绝缘电源域

4个I/O绝缘电源域

3个集成式LDO

提供工业温度器件

1.05V内核电压、1.8/2.5/2.75/3.3V I/O电压

1.3V内核电压、1.8/2.5/2.75/3.3V I/O电压

医疗开发套件（MDK）

大 量新兴医疗应用，如心电图（ECG）、数字听诊器和脉冲血氧计，要求以极低的功耗实现较高的DSP处理性能。TMS320C5515数字信号处理器 （DSP）是这类应用的较理想之选。C5515是TI公司C5000TM定点DSP平台的成员之一。为了利用C5515开发各种医疗应用，Texas Instruments开发了基于C5515 DSP的MDK。典型医疗应用包括： [p]

模拟前端，包括用于从身体采集感兴趣的信号的传感器；

信号处理算法，可以实现信号调节、进行测量与测量分析，进而确定健康状况；

用户控制与交互，包括信号处理结果的图形显示和实现远程病患监测的连接功能。

MDK设计支持完整的医疗应用开发。它包含下列元件：

C5515重点目标医疗应用（ECG、数字听诊器和脉冲血氧计）专用的模拟前端板（FE板），使用了TI面向医疗应用的模拟元件；

C5515 DSP评估模块（EVM）主板；

医疗应用软件，包括实例演示。

图5DSP软件架构图

MDK硬件简介

心电图（ECG/EKG）是记录心脏的电活动，用于检查心脏病。可以通过有选择地在皮肤上放置电极（电接触点）来测量电波。

医疗开发套件ECG的主要特性

MDK ECG系统的主要特性：

利用10电极输入实现12引线ECG输出；

除纤颤器保护电路；

带宽为0.05Hz~150 Hz的诊断质量ECG；

心搏率显示；

持续断线检测；

在EVM LCD屏幕上实时显示12引线ECG波形，一次可以选择1条引线；

EVM LCD屏幕上Y轴（振幅）的变焦选项；

在PC上实时显示12引线ECG波形，一次可以选择3条引线；

PC应用中，X轴（时间）和Y轴（振幅）上的变焦功能；

PC应用中，冻结屏幕选项；

记录ECG数据，离线查看PC应用上录制的ECG数据选项；

MDK ECG系统包含下列元件：

C5515 EVM

ECG前端板

ECG电缆

（1）C5515 EVM

EVM带有全套免费板上器件，适于各种应用环境。

了解C5515 EVM方面的详情，请参照与EVM一起提供的医疗开发套件。

MDK ECG系统内采用的C5515 EVM的主要元件和接口包括：

Texas Instrument公司推出的工作频率为100MHz的TMS320C5515；

C5512提供的用户通用串行总线（USB）端口；

内部集成电路（I2C）/串行外设接口（SPI）电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）；

外部存储器接口（EMIF）、I2C、通用异步接收器/发射器（UART）、SPI接口；

SAR；

外部IEEE标准1149.1-1990、IEEE标准测试存取端口和边界扫描架构（JTAG）仿真接口；

嵌入式JTAG控制器；

彩色LCD显示器；

电键（用户开关）。

EVM由+5V外部电源或电池供电，设计用于和TI公司Code Composer Studio 集成开发环境（IDE）协同工作。Code Composer Studio通过外部仿真器或板上仿真器与EVM板通信。

（2）ECG前端板

ECG 前端板上，电极采集的电势穿过ECG前端板内的除纤颤器保护（DP）电路。然后，前端板从12条ECG引线中分离出了8条，为DSP子系统提供数字输入。 前端板可以通过通用前端连接器与EVM板相连。前端板利用I2C和I2S接口、通过通用前端连接器与C5515 EVM板相连，并且由其供电。

前端板上的16通道模数转换器（ADC）（ADS1258）可以配置成500Hz采样速率和24位数据分辨率。ADC利用SPI与C5515相连。

（3）ECG电缆

ECG电缆由4个肢电极和6个胸电极组成。该电缆通过DB15连接器与前端板相连。ECG电极从ECG仿真器/病患采集ECG信号，然后将它们发送给ECG前端板；使用了现成的ECG电缆。

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