多功能醫(yī)學(xué)心電信號發(fā)生器研制

黃育雁

摘 要： 設(shè)計一個能夠輸出用于醫(yī)學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)心電圖信號，同時還能輸出其他波形信號的發(fā)生器。在設(shè)計過程中，首先研究該發(fā)生器的設(shè)計要求，再對其硬件的各部分電路進(jìn)行研究，最后對其軟件的各部分程序進(jìn)行研究。經(jīng)過軟件調(diào)試的結(jié)果完全達(dá)到其設(shè)計要求，可以滿足各種心電圖儀器的校準(zhǔn)和維護(hù)的應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞： 心電信號發(fā)生器； PWM； ARM； 醫(yī)學(xué)應(yīng)用

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）14?0098?02

Development of multi?function ECG signal generator

HUANG Yu?yan

（Department of Information Technology， Hainan Medical College， Haikou 571101， China）

Abstract： A generator that can output standard ECG signal used in medicine and output other waveform signals is designed. In the design process， the design requirements of the generator， every part of the circuit of its hardware and each part of program of its software are researched. The software debugging results proves that the generator has reached the design requirement. The generator was designed， which can meet the application requirements of ECG instrument calibration and maintenance for a variety of medical schools.

Keywords： ECG signal generator； PWM； ARM； medical application

基于ARM芯片，利用PWM原理實現(xiàn)心電信號的解決方案，將處理過的PWM信號直接通過低通濾波器而得到所需波形信號。該設(shè)計硬件設(shè)計上采用了NXP公司生產(chǎn)的基于ARM Cotex?M3內(nèi)核的LPC1768芯片作為信號發(fā)生器的主控芯片，充分利用了該芯片豐富的外設(shè)資源以及高集成度的特性和快速處理數(shù)據(jù)的能力。本設(shè)計能夠輸出用于醫(yī)學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)心電圖信號，同時還能輸出其他的波形信號，如：正弦波信號、三角波信號、鋸齒波信號、反鋸齒波信號和方波信號等一系列信號，是一種小型便攜式多功能心電信號發(fā)生器，功能齊全，操作簡單，便于攜帶，可滿足醫(yī)學(xué)院校的實驗教學(xué)[1]、醫(yī)療儀器校準(zhǔn)[2?3]、測試[4]和演示[5?6]等領(lǐng)域。

1 設(shè)計要求

本設(shè)計主要研究內(nèi)容為利用ARM芯片控制產(chǎn)生用于醫(yī)療器械檢測的信號源，具體為心電圖波形信號、正弦信號、三角波信號、鋸齒波信號、反鋸齒波信號、方波信號等。主要完成的工作如下：

（1） 基于ARM的PWM控制模塊的實現(xiàn)；

（2） 利用Matlab提取所需波形數(shù)據(jù)；

（3） 使用一塊2.4英寸240×320的TFT?LCD顯示屏對信號的參數(shù)進(jìn)行顯示。

2 硬件實現(xiàn)

2.1 總體硬件設(shè)計框架

本設(shè)計中將ARM LPC1768作為主控芯片，產(chǎn)生PWM信號，將其通過一個二階的RC低通濾波器就能輸出所需信號，通過按鍵電路，控制輸出信號頻率；通過GPIO口連接顯示電路，顯示輸出信號幅度、頻率參數(shù)。具體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 按鍵部分

本系統(tǒng)中共設(shè)計了3個按鍵，其中一個是復(fù)位按鍵，控制整個系統(tǒng)的硬件復(fù)位；其余兩個按鍵用來分別控制頻率的增加和減少。

2.3 電源部分

電源模塊中使用外部9 V直流穩(wěn)壓電源或者USB供電，當(dāng)使用外部9 V電源供電時，先利用電源芯片LM1117?5將電壓降為5 V，然后再利用一片LM1117?3.3將5 V電壓變?yōu)長PC1768正常工作電壓3.3 V；當(dāng)使用USB供電時，只需使用跳線連接到LM1117?3.3芯片上，就能為系統(tǒng)提供正常工作電壓。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.4 LCD顯示部分

顯示模塊的主要功能是將輸出信號的參數(shù)實時的通過LCD屏顯示出來，便于指示和操作。在顯示模塊中使用的北京銘正同創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的MzT24?2顯示器，它是一塊高畫質(zhì)的TFT真彩LCD，帶有豐富的接口、編程使用方便、擴(kuò)展接口容易等優(yōu)異性能。MzT24?2內(nèi)置專用驅(qū)動和控制IC（SPFD5408），并且驅(qū)動IC自己集成顯示緩存，無需外部顯示緩存。

2.5 低通濾波部分

由LPC1768輸出PWM信號后，將其通過一個二階的無源RC低通濾波器，濾除高頻成分。

3 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括PWM處理程序、按鍵處理子程序和LCD驅(qū)動程序這三個主要部分，程序設(shè)計流程圖如圖2所示。

圖2 程序設(shè)計流程圖

3.1 集成開發(fā)環(huán)境LPCXpresso

LPCXpresso開發(fā)套件是恩智浦公司推出的基于功能強(qiáng)大的Eclipse集成開發(fā)環(huán)境（IDE）工具，擁有由恩智浦設(shè)計的全新、直觀的用戶界面、針對Cortex?M優(yōu)化的編譯器和函數(shù)庫、LPC?Link JTAG/SWD調(diào)試探針和目標(biāo)板，為用戶提供功能豐富的開發(fā)工具[7]。本系統(tǒng)的所有軟件設(shè)計都是在LPCXpresso IDE中用C語言編寫、調(diào)試完成的，利用LPC?Link將程序下載到目標(biāo)板上。

3.2 PWM程序控制

在程序設(shè)計中，為了讓PWM信號的占空比按照采樣波形變化，當(dāng)匹配寄存器MR0發(fā)生匹配時，產(chǎn)生中斷，進(jìn)入PWM中斷處理子程序，在子程序中，設(shè)置匹配寄存器MR1～MR6的數(shù)值，分別按照采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行配置，最后就能輸出占空比按波形變化的PWM信號。

3.3 按鍵程序設(shè)計

按鍵的功能主要是通過改變PWM信號的周期來控制輸出信號的頻率。在設(shè)計按鍵程序時，不能忽略按鍵時的抖動?？偟膩碚f去抖動有兩種辦法：一種是通過硬件電路的方法防止抖動；還有一種是通過軟件程序的方法防止抖動。在本設(shè)計中采用的是后者。

4 結(jié) 語

設(shè)計完成的多功能心電信號發(fā)生器，從理論和實際兩個方面，研究了PWM原理生成任意波形，通過測試，輸出波形完整且穩(wěn)定。能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的心電圖信號，同時還能輸出步進(jìn)1 Hz，頻率范圍10 Hz～1 kHz的正弦波、三角波、鋸齒波、反鋸齒波和方波等信號。整個系統(tǒng)高度集成，隨身攜帶，顯示界面清晰[8]，按鍵部分和電源部分操作簡單，可滿足各種心電圖機(jī)校準(zhǔn)和醫(yī)學(xué)院校教學(xué)示范要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁雪堯.基于TMS320F2812可調(diào)參數(shù)心電信號發(fā)生器的設(shè)計方案[J].軍事通信技術(shù)，2010（5）：1?2.

[2] 靳學(xué)明，譚劍美.基于DDS的通用雷達(dá)波形產(chǎn)生器的實現(xiàn)和性能[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2004（2）：124?131.

[3] 馮小平.基于DDS技術(shù)的雷達(dá)波形發(fā)生器的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2004.

[4] 王征.遙控遙測數(shù)字調(diào)制解調(diào)的軟件化設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2001.

[5] 張成偉.寬帶高速新型ECM干擾源[J].電子對抗技術(shù)，2002（6）：71?82.

[6] 王群.復(fù)雜雷達(dá)信號波形設(shè)計與仿真[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2004.

[7] LPCXpresso. Getting started with NXP LPCXpresso V11 [M].

[S.l.]： LPCXpresso， 2012.

[8] 程凡，魏義祥.多功能心電信號發(fā)生器研制[J].中國醫(yī)療器械雜志，2000（6）：209?211.

3.2 PWM程序控制

在程序設(shè)計中，為了讓PWM信號的占空比按照采樣波形變化，當(dāng)匹配寄存器MR0發(fā)生匹配時，產(chǎn)生中斷，進(jìn)入PWM中斷處理子程序，在子程序中，設(shè)置匹配寄存器MR1～MR6的數(shù)值，分別按照采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行配置，最后就能輸出占空比按波形變化的PWM信號。

3.3 按鍵程序設(shè)計

按鍵的功能主要是通過改變PWM信號的周期來控制輸出信號的頻率。在設(shè)計按鍵程序時，不能忽略按鍵時的抖動?？偟膩碚f去抖動有兩種辦法：一種是通過硬件電路的方法防止抖動；還有一種是通過軟件程序的方法防止抖動。在本設(shè)計中采用的是后者。

4 結(jié) 語

設(shè)計完成的多功能心電信號發(fā)生器，從理論和實際兩個方面，研究了PWM原理生成任意波形，通過測試，輸出波形完整且穩(wěn)定。能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的心電圖信號，同時還能輸出步進(jìn)1 Hz，頻率范圍10 Hz～1 kHz的正弦波、三角波、鋸齒波、反鋸齒波和方波等信號。整個系統(tǒng)高度集成，隨身攜帶，顯示界面清晰[8]，按鍵部分和電源部分操作簡單，可滿足各種心電圖機(jī)校準(zhǔn)和醫(yī)學(xué)院校教學(xué)示范要求。

參考文獻(xiàn)

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3.2 PWM程序控制

在程序設(shè)計中，為了讓PWM信號的占空比按照采樣波形變化，當(dāng)匹配寄存器MR0發(fā)生匹配時，產(chǎn)生中斷，進(jìn)入PWM中斷處理子程序，在子程序中，設(shè)置匹配寄存器MR1～MR6的數(shù)值，分別按照采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行配置，最后就能輸出占空比按波形變化的PWM信號。

3.3 按鍵程序設(shè)計

按鍵的功能主要是通過改變PWM信號的周期來控制輸出信號的頻率。在設(shè)計按鍵程序時，不能忽略按鍵時的抖動?？偟膩碚f去抖動有兩種辦法：一種是通過硬件電路的方法防止抖動；還有一種是通過軟件程序的方法防止抖動。在本設(shè)計中采用的是后者。

4 結(jié) 語

設(shè)計完成的多功能心電信號發(fā)生器，從理論和實際兩個方面，研究了PWM原理生成任意波形，通過測試，輸出波形完整且穩(wěn)定。能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的心電圖信號，同時還能輸出步進(jìn)1 Hz，頻率范圍10 Hz～1 kHz的正弦波、三角波、鋸齒波、反鋸齒波和方波等信號。整個系統(tǒng)高度集成，隨身攜帶，顯示界面清晰[8]，按鍵部分和電源部分操作簡單，可滿足各種心電圖機(jī)校準(zhǔn)和醫(yī)學(xué)院校教學(xué)示范要求。

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