采用EFM32單片機(jī)的心電信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

吳玉娟 梁晶 王志剛

引言

心電信號(hào)反映的是心臟興奮的產(chǎn)生和傳導(dǎo)以及恢復(fù)過程中生物電的變化，在臨床研究上具有重要的意義。隨著各種心電診斷設(shè)備的出現(xiàn)，心電圖機(jī)、心電監(jiān)護(hù)、動(dòng)態(tài)心電記錄儀等醫(yī)療設(shè)備的熱銷，人們對(duì)心電的研究更加深入。而在研發(fā)過程中，從人體采集心電信號(hào)作為設(shè)備的輸入端存在著一些不便，這時(shí)就需要一種可以模擬人體心電信號(hào)的設(shè)備。本文設(shè)計(jì)的心電信號(hào)發(fā)生器，選擇EFM32LG332F64單片機(jī)作為主處理器，與PC機(jī)配合利用單片機(jī)的USB與DAC功能，可以模擬輸出心電信號(hào)和一些常用的檢測(cè)信號(hào)，如正弦波、方波、三角波、常規(guī)或異常心電波形。方便了心電設(shè)備的研制，同時(shí)也給一些科研院所的項(xiàng)目科研或者醫(yī)院設(shè)備科對(duì)設(shè)備的日常維護(hù)與檢測(cè)帶來了方便。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該信號(hào)發(fā)生器主要由三個(gè)部分組成，首先由PC機(jī)選擇所要輸出的波形以及輸出波形的導(dǎo)聯(lián)，通過USB數(shù)據(jù)線將導(dǎo)聯(lián)命令和波形數(shù)據(jù)包（正弦波、三角波、方波或心電波形）傳輸?shù)街魈幚砥鱁FM32LG332F64端，然后通過EFM32的DAC模塊，將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出到電壓跟隨器1，以提高信號(hào)的帶負(fù)載能力，再由電壓跟隨器將波形數(shù)據(jù)輸出到模擬開關(guān)電路，最后通過單片機(jī)控制模擬開關(guān)電路，選擇輸出波形的導(dǎo)聯(lián)。系統(tǒng)所需電源由PC機(jī)的USB提供，USB數(shù)據(jù)線提供的5V經(jīng)過LDO穩(wěn)壓為3.3V，其中3.3V電壓經(jīng)過分壓再由電壓跟隨器2跟隨，為RL禾E]LL提供1.65V的基準(zhǔn)電壓，其中電壓跟隨器1和電壓跟隨器2為一個(gè)雙運(yùn)放芯片。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

硬件電路設(shè)計(jì)

本文所用USB座選擇愛特姆公司的MICRO USB 5P座，該USB座尺寸較小，節(jié)省空間，5pin引腳方便與單片機(jī)相連接。只需要將USB座的DM與DP引腳連接到單片機(jī)的相應(yīng)USB引腳即可。為了節(jié)省資源，整個(gè)心電發(fā)生器的電源部分，由PC機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線和硬件電路中的USB座連接，將其中的5V電通過一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117轉(zhuǎn)換成3.3V，為整個(gè)硬件電路供電，其中USB IN連接單片機(jī)的GPIO口，用來檢測(cè)USB和PC機(jī)的連接狀態(tài)。供電電路如圖2所示。

主處理器EFM32單片機(jī)是挪威的Energy Micro最新推出的超低功耗單片機(jī)，功耗只有現(xiàn)有同類內(nèi)核單片機(jī)的四分之一，且具有豐富的外設(shè)接口。本文選用EFM32LG332F64，具有64K的FLASH和32K的RAM，該型號(hào)芯片最大FLASH可以達(dá)到256K。EFM32單片機(jī)含有2個(gè)12位的DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換通道，滿足系統(tǒng)的要求。選用TLC2252雙路運(yùn)算放大器作為電壓跟隨器，其中一路作為DA轉(zhuǎn)換后的跟隨，以提高信號(hào)的帶負(fù)載能力，另一路與分壓電路配合搭建成基準(zhǔn)電路，為RL和LL提供1.65V的基準(zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓電路如圖3所示。模擬開關(guān)電路部分選取芯片CD74HC4051PWR，通過單片機(jī)的PA0-PA2三個(gè)GPIO口控制芯片的通道選擇，實(shí)現(xiàn)不同導(dǎo)聯(lián)的波形切換輸出。模擬開關(guān)部分電路如圖4所不。

軟件設(shè)計(jì)

該心電信號(hào)發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)中重要的工作是初始化模塊、導(dǎo)聯(lián)切換控制，針對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能的要求，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)使得系統(tǒng)可以穩(wěn)定地工作。主處理器EFM32LG332F64的初始化，包括對(duì)GPIO口的初始化、時(shí)鐘的初始化、DA的初始化等等。主處理器EFM32LG332F64通過USB數(shù)據(jù)線接收PC機(jī)發(fā)送的波形和導(dǎo)聯(lián)命令數(shù)據(jù)包，并對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，控制輸出時(shí)間。單片機(jī)控制模擬開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)輸出導(dǎo)聯(lián)波形，從而達(dá)到信號(hào)模擬的效果。軟件流程圖如圖5所示?？偨Y(jié)

系統(tǒng)的主處理器EFM32LG332F64單片機(jī)是低功耗、低噪聲、具有Codex-M3內(nèi)核的32位單片機(jī)，其高達(dá)48MHz的主頻可以提高系統(tǒng)的性能和運(yùn)算速度。通過Pc機(jī)的數(shù)據(jù)輸入，EFM32LG332F64單片機(jī)完成數(shù)據(jù)解包、定時(shí)發(fā)送、導(dǎo)聯(lián)切換等功能，實(shí)現(xiàn)了不同導(dǎo)聯(lián)的心電信號(hào)以及檢測(cè)波形信號(hào)的模擬，由于采用USB供電、EFM32LG332F64內(nèi)置DAC模塊，本文設(shè)計(jì)的心電信號(hào)發(fā)生器具有運(yùn)算速度快、低功耗、體積小等特點(diǎn)，功能齊全，攜帶方便，對(duì)心電信號(hào)的研究與心電相關(guān)醫(yī)療器械的研發(fā)具有較大的意義。