摘要：在sp061a單片機(jī)上實現(xiàn)對ecc信號的fft、濾波和壓縮。合理組織sp061a的硬件資源，并采取數(shù)據(jù)分段長度可選、避開高頻分量的計算和簡易的數(shù)據(jù)壓縮算法，使存儲開銷、運算速度和精度滿足實用要求。

     關(guān)鍵詞：ecc數(shù)據(jù) sp061a fft 濾波 壓縮 在遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，心電信號采集器是實現(xiàn)心電信號的現(xiàn)場采集、存儲和傳輸?shù)闹匾K端設(shè)備。對采集器的基本要求之一是：及時對采集到的心電信號進(jìn)行濾波和壓縮等預(yù)處理，以減少存儲器占用量和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)筋^端服務(wù)器的開銷。為降低成本，這些任務(wù)一般采用單片機(jī)完成。然而，限于單片機(jī)的資源、運算能力和運行速度，許多壓縮算法，如周期壓縮法、小波變換壓縮法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等無法使用，一些缺乏快速算法的頻域變換法也很難達(dá)到實用的程度[3]。高性價比的心電信號采集器的研制一直是一個熱點問題。 通過研究fft(快速傅立葉變換)的算法結(jié)構(gòu)和心電信號的特點發(fā)現(xiàn)，采用分段fft，保留分析心電波形需要的諧波成分，巧妙地組織單片機(jī)的片內(nèi)ram資源，可使數(shù)據(jù)運算量和ram開銷大大減少，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)濾波和壓縮，且能達(dá)到實時采集與處理所需的運算速度。 sp061a是凌陽科技公司研制的一款16位超低功耗單片機(jī)[1]，片內(nèi)有2k字ram、10位a／d轉(zhuǎn)換器，cpu時鐘高達(dá)49．152mhz，且價格低廉，還特別具有一套精簡、高效的指令系統(tǒng)和類似于dsp的硬件內(nèi)積運算功能。這些特點很適合心電信號的采集和處理。圖1是作者研發(fā)的心電信號采集器中有關(guān)硬件的組成框圖：多路ecg模擬信號送sp061a進(jìn)行a／d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送nvram dsl265w暫存；待采集完成后，由sp061a進(jìn)行fft和濾波、壓縮；壓縮結(jié)果送回dsl265w，再適時通過電話線或計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)送到監(jiān)護(hù)中心處理、診斷。 本文僅討論用sp061a實現(xiàn)fft[2]、低通濾波與壓縮。設(shè)對心電信號的采樣率為500次／秒，數(shù)據(jù)精度為10位。1 數(shù)據(jù)分段算法 設(shè)采集到的原始數(shù)據(jù)存于片外ram中，將這些數(shù)據(jù)分為若干段，逐段讀入片內(nèi)進(jìn)行fft。各段的變換結(jié)果及時送回片外ram中保存。 按照fft的要求，段中包含的數(shù)據(jù)個數(shù)必須為2n，n為fft變換的層數(shù)�？紤]到sp061a片內(nèi)ram為2k字，此處取n=9或n＝10，即段中數(shù)據(jù)為512或1024，以保證ram夠用。顯然，段頭和段尾的數(shù)據(jù)大小相等時，以該段作為一個周期而無限重復(fù)的波形將無跳躍點。經(jīng)過“fft變換到頻域”→“丟棄高頻成分”→“ifft(快速傅立葉反變換，在頭端pc上進(jìn)行)”一系列操作而重建的時域波形，段與段之間的結(jié)合點將是連續(xù)的。但實際上，按上述分段幾乎不能做到段頭和段尾的數(shù)據(jù)大小相等。取兩種段長的目的就是提供兩種可能的選擇——選擇首尾數(shù)據(jù)之差較小的段作fft。盡管如此，段首尾數(shù)據(jù)之差仍存在，經(jīng)處理、復(fù)原后的波形在段的結(jié)合部位仍將有間斷點。而采用加窗、延拓等辦法在單片機(jī)上又難以實現(xiàn)。解決問題的策略為：分段時，各段間的數(shù)據(jù)首、尾各覆蓋10個數(shù)據(jù)。頭端pc在完成重建后，應(yīng)將首、尾各5個數(shù)據(jù)丟棄。2 時域數(shù)據(jù)的整序與加載 分段后，將該段加載到sp061a的ram中，以實施fft。原始數(shù)據(jù)以采集的時間先后順序存放，加載時則應(yīng)“整序”，即改變數(shù)據(jù)的先后順序，以保證變換后的頻域數(shù)據(jù)為正序。 設(shè)rs為指向片外ram的、待加載的段內(nèi)數(shù)據(jù)的偏移地址，rs=o…2n-1；rd為指向片內(nèi)ram的、待寫入數(shù)據(jù)的偏移地址，如圖2。將rs按n位二進(jìn)制逐位高低互換就得到只rdo例如，當(dāng)n=9時，若rs為011001011b，則rd為110100110b。為加快計算速度，將n=9時及，的值制表存于flashrom，供整序時查詢。當(dāng)n=10時，取rs的b0～b9位查表獲得rd，再將rs的b10位傳送到rd，的b15位，最后將rd循環(huán)左移1位。 fft變換是復(fù)數(shù)運算。在將原始數(shù)據(jù)加載到片內(nèi)ram的同時，應(yīng)把實數(shù)轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)，即令虛部為0。于是，一個原始數(shù)據(jù)加載到ram中要占用2個字。復(fù)數(shù)的存儲格式為：實部字存于低地址，虛部字存于相鄰的高地址�，F(xiàn)在考察ram需要量。n=9時，段長為512個數(shù)據(jù)，加載到ram中要占用512×2＝1024字；n＝10時，段長為1024個數(shù)據(jù)，全部加載將占用1024×2=2048字，超過片內(nèi)ram的可用容量。此時，將數(shù)據(jù)分為兩部分，先將第一部分加載到ram作fft，得到中間結(jié)果，再將第二部分加載、變換，最后相加合成。3 fft變換及低通濾波 fft將時域序列{χ[i]，i∈0…2n}變換為頻域序列{f[i]，i∈0…2n}。為了實現(xiàn)低通濾波，僅須保留{f[i]}中≤75hz的頻率分量。當(dāng)n=9時，應(yīng)保留{f[i]}中的前77個低頻分量；當(dāng)n＝10時，則應(yīng)保留{f[i]}中的前154個低頻分量。這也同時減少了計算量，加快了計算速度；存放周轉(zhuǎn)量所需的片內(nèi)ram也能得到保證。 為敘述簡便，以n=3為例，研究fft的計算結(jié)構(gòu)，如圖3所示。 圖3中，w[k]是復(fù)因子，w[k]＝cos[(2kπ)/n ]＋jsin[(2kπ)/n]，k＝0…2n-1