一種低功耗心電信號發(fā)生器的設(shè)計

楊勇++楊超++羅志堯++高川

摘 要為了提高醫(yī)院臨床工程師維修心電監(jiān)護設(shè)備的效率、保證心電監(jiān)護設(shè)備臨床診斷的準(zhǔn)確性，增加臨床教學(xué)過程的生動性；設(shè)計開發(fā)了一款低功耗心電信號發(fā)生器。本設(shè)計以TI公司新一代超低功耗單片機MSP430F5529為系統(tǒng)主控芯片，使用其對標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)進行存儲、編碼；通過雙路數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）實現(xiàn)對人體標(biāo)準(zhǔn)心電信號的模擬輸出。系統(tǒng)以雙導(dǎo)聯(lián)形式輸出心電信號，心率可調(diào)范圍為30～180bpm，心率步進間隔為1bpm，信號幅度小于1mV。

【關(guān)鍵詞】心電信號發(fā)生器 單片機 心電

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計采用TI公司新一代超低功耗單片機MSP430F5529為系統(tǒng)主控芯片并完成對心電數(shù)據(jù)的存儲和編碼；DAC將心電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號，經(jīng)高性能運放平滑濾波、放大后再將信號衰減至1mV以下分兩路輸出。系統(tǒng)總體采用模塊化思想設(shè)計，硬件電路包括：電源模塊，系統(tǒng)控制模塊（單片機最小系統(tǒng)），顯示按鍵模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，衰減電路模塊，程序下載調(diào)試模塊等。系統(tǒng)硬件電路框圖如圖1所示。

電源模塊，為系統(tǒng)提供+5V、-5V、+3.3V電壓。系統(tǒng)使用兩節(jié)3.7V的干電池串聯(lián)供電；使用 LM317穩(wěn)壓芯片將輸入電壓穩(wěn)壓為+5V輸出，使用TPS60400芯片把+5V轉(zhuǎn)換為-5V輸出。使用LM1117-3.3將+5V轉(zhuǎn)化為+3.3V輸出。+5V供給運放和DAC，-5V供給運放，+3.3V供給單片機。

顯示按鍵模塊，系統(tǒng)輸出信號心率使用3位數(shù)碼管顯示；使用一組按鍵（S1、S2、S3）設(shè)置心率：S1為加1鍵，S2為減1鍵，S3為確認鍵，當(dāng)用S1和S2設(shè)置好心率時，需按下確認鍵S3。

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，使用兩片DAC0832將標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬信號輸出，分別模擬人體左右手心電信號。

衰減電路模塊，為了模擬人體高阻抗、微弱信號等特點。本設(shè)計采用電阻分壓器，將放大器輸出的心電信號衰減至1mV以下以更真實的模擬人體的心電信號。

2 標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)

如圖2所示，一個正常完整的心率周期在 0.8 秒內(nèi)，分為 P 波、Q 波、R 波、S 波、T波。P 波代表心房除極過程，正常時間小于 0.12 秒；P-R 間期代表心房除極開始至心室開始除極，正常時間為 0.12 秒到 0.2 秒；QRS 波群代表心室除極全過程，正常時間為 0.06秒到 0.1 秒；S-T 段代表心室復(fù)極全過程；T波反應(yīng)心室復(fù)極后期的電位變化，正常時間為0.1秒到0.25秒。本文使用美國麻省理工學(xué)院提供的MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫的心電數(shù)據(jù)進行采樣編碼。對標(biāo)準(zhǔn)心電圖MIT-BIH（118）用MATLAB進行采樣，采樣率為設(shè)為500，得到編碼值存儲于單片機中作為標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了使系統(tǒng)靈活、高效，使單線程的CPU發(fā)揮出多線程的功能，系統(tǒng)軟件設(shè)計采用前后臺程序結(jié)構(gòu)進行架構(gòu)。在前后臺程序結(jié)構(gòu)中，所有后臺任務(wù)是依次順序執(zhí)行的，一個任務(wù)執(zhí)行完成后才執(zhí)行下一個任務(wù)，不會出現(xiàn)多個后臺任務(wù)同時訪問共享資源的情況；其結(jié)構(gòu)靈活，實現(xiàn)手段多樣，可以根據(jù)實際需要靈活地調(diào)整。程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，各個模塊與硬件電路模塊一一對應(yīng)；提高了程序開發(fā)效率、可讀性和拓展性，有利于二次開發(fā)和維護。系統(tǒng)軟件程序的主流程圖如圖3所示；系統(tǒng)軟件主要包括：初始化程序、系統(tǒng)主程序、輸出程序和中斷程序等。

如圖3所示，初始化程序包括系統(tǒng)時鐘初始化、LED顯示引腳初始化、按鍵中斷初始化、定時器初始化、心率編碼存儲、DAC0832控制引腳初始化等。初始化完成之后，設(shè)置輸出信號的心率為60，并使系統(tǒng)進入低功耗模式3。

輸出和中斷程序包括DAC輸出程序、數(shù)碼管輸出程序和定時器中斷、按鍵中斷程序。在按鍵中斷程序中檢測S1、S2是否按下，并做相應(yīng)的處理。當(dāng)心率大于75時心電周期小于0.8s，心電信號的各個波段時間減小，定時器的定時時間也相應(yīng)變小。為了提高輸出信號的準(zhǔn)確度，程序使用定時器A0和A1分別計時。

4 結(jié)語

本文設(shè)計制作了一款低功耗心電信號發(fā)生器，系統(tǒng)產(chǎn)生的未衰減心電信號如圖4藍色（上）曲線，圖中黃色（下）為徐州銘昇電子科技有限公司的SKX-2000C型心電信號儀輸出的經(jīng)放大后的標(biāo)準(zhǔn)心電信號，輸出信號的心率都設(shè)置為60bpm。系統(tǒng)功耗為0.2W；能夠輸出30～180bpm的標(biāo)準(zhǔn)心電信號，心率的步進值為1bpm，信號幅度小于1mV。從圖4可以看出，系統(tǒng)輸出的信號準(zhǔn)確，和公司的心電信號儀輸出的信號質(zhì)量基本相當(dāng)。系統(tǒng)可以作為臨床工程師維修、維護心電儀器的輔助檢查設(shè)備，也可用于臨床教學(xué)。本系統(tǒng)可以將輸出擴展至十二導(dǎo)聯(lián)形式、數(shù)據(jù)庫增加包含各種心血管疾病的心電數(shù)據(jù)以模擬輸出各種心血管疾病患者的心電信號形成多功能心電信號發(fā)生器。

參考文獻

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作者簡介

楊勇（1987-），男，碩士學(xué)位。助教。主要研究方向為神經(jīng)電生理信號的采集。

作者單位

成都醫(yī)學(xué)院人文信息管理實驗教學(xué)中心 四川省成都市 610500endprint