基于RPI的便攜式低功耗心電圖機(jī)計(jì)量檢定儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能測(cè)試

摘" 要：探究基于RPI微處理器的便攜式低功耗心電圖機(jī)計(jì)量檢定儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對(duì)其基本功能和檢定性能進(jìn)行測(cè)試。該檢定儀的硬件部分以RPI處理器為核心，通過USB口、GPIO口等與D/A轉(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)節(jié)模塊、信號(hào)疊加模塊等進(jìn)行通信，將處理后的信號(hào)送入被檢設(shè)備中；軟件部分包含被檢設(shè)備選擇界面和檢定項(xiàng)目選擇界面，可獲取波形、頻率、幅值等數(shù)字信號(hào)，支持衰減電路、疊加電路以及輸出導(dǎo)聯(lián)的選擇。從測(cè)試情況看，該檢定儀系統(tǒng)操作界面簡(jiǎn)潔，人機(jī)交互友好，在不同條件下輸出心率信號(hào)的精度均滿足國(guó)家計(jì)量規(guī)程中的精度要求。

關(guān)鍵詞：RPI處理器；檢定儀；心率信號(hào)；導(dǎo)聯(lián)選擇；衰減電路

中圖分類號(hào)：TH77" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）06-0117-04

Abstract： This paper explores the design points of a portable low-power electrocardiogram measurement and calibration system based on RPI microprocessor， and tests its basic functions and calibration performance. The hardware part of the calibration instrument is centered around an RPI processor， which communicates with D/A converters， signal conditioning modules， signal superposition modules， etc. through USB ports， GPIO ports， etc.， and sends the processed signals to the device being tested; the software part includes a equipment under test selection interface and a verification item selection interface， which can obtain digital signals such as waveform， frequency， and amplitude， and support the selection of attenuation circuits， superposition circuits and output leads. Judging from the test situation， the operating interface of the calibration instrument system is simple， the human-computer interaction is friendly， and the accuracy of the output heart rate signal under different conditions meets the accuracy requirements in the national metrology regulations.

Keywords： RPI processor; calibration instrument; heart rate signal; lead selection; attenuation circuit

檢定儀可以對(duì)心電圖機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀等醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，保證設(shè)備輸出信號(hào)精確。在設(shè)計(jì)檢定儀時(shí)，一方面要求其計(jì)量性能必須滿足JJG 543—2008《心電圖機(jī)檢定規(guī)程》等相關(guān)的國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范；另一方面還必須從實(shí)際檢定工作出發(fā)，對(duì)檢定儀的操作和顯示界面以及尺寸、功耗等作出優(yōu)化，從而改善使用體驗(yàn)。主控處理器的選型是檢定儀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，RPI處理器以ARM芯片為基礎(chǔ)，在升級(jí)內(nèi)存硬盤的基礎(chǔ)上提供了更加豐富的通信接口，基于RPI設(shè)計(jì)檢定儀系統(tǒng)不僅降低了開發(fā)難度，而且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。

1" 基于RPI的便攜式低功耗心電圖機(jī)計(jì)量檢定儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1" 檢定儀的硬件設(shè)計(jì)

1.1.1" 硬件系統(tǒng)組成

檢定儀的硬件系統(tǒng)由4個(gè)模塊組成：①波形產(chǎn)生模塊，該模塊的核心是RPI（Raspberry Pi）微型控制器，自帶4個(gè)USB接口和1個(gè)100 M以太網(wǎng)接口，支持藍(lán)牙和Wi-Fi 2種無(wú)線通信模式兼容Windows、Linux、Fedora等主流操作系統(tǒng)。利用RPI產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，再通過D/A轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)并發(fā)送至下一模塊。②信號(hào)調(diào)節(jié)模塊，該模塊通過信號(hào)幅值調(diào)節(jié)的方式，選擇不同的衰減電路，并將初始的V級(jí)電壓信號(hào)衰減成μV級(jí)或者mV級(jí)電壓信號(hào)。③信號(hào)疊加模塊，依據(jù)檢定規(guī)程對(duì)前面的衰減信號(hào)進(jìn)行信號(hào)疊加處理，可疊加的型號(hào)包括耐極化電壓（如+300 mV直流電壓）、各類阻抗（如模擬皮膚阻抗）等[1]。④信號(hào)輸出模塊，該模塊的核心是導(dǎo)聯(lián)電極，可以提供R、F、L以及C1—C6共9個(gè)電極，選擇相應(yīng)的信號(hào)輸出途徑后將信號(hào)送入被檢測(cè)設(shè)備中，完成對(duì)設(shè)備的檢定。檢定儀的硬件組成如圖1所示。

1.1.2" 主控處理器RPI電路設(shè)計(jì)

在檢定儀的使用過程中，用戶從一塊電容型LCD觸摸顯示屏上編輯指令。RPI接收該指令并確定需要輸出的檢定信號(hào)（如波形、幅值、頻率等），然后通過GPIO口控制其他模塊完成信號(hào)處理。為了保證RPI處理器與其他功能模塊之間的正常通信，需要合理利用RPI接口設(shè)計(jì)周邊電路，如圖2所示。

如圖2所示，電源通過Micro USB接口為RPI處理器供電，鼠標(biāo)輸入指令通過USB接口發(fā)送至RPI，處理結(jié)果經(jīng)DSI接口反饋至觸摸顯示屏進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果由SPI口發(fā)送至RPI處理器。RPI通過GPIO口控制各種信號(hào)模擬開關(guān)（如信號(hào)衰減模擬開關(guān)、信號(hào)疊加模擬開關(guān)），以便于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理[2]。

1.2" 檢定儀的軟件設(shè)計(jì)

本文在設(shè)計(jì)檢定儀的軟件部分時(shí)，除了考慮國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程外，還基于檢定人員的操作習(xí)慣對(duì)操作界面進(jìn)行了優(yōu)化。軟件設(shè)計(jì)主要包含2個(gè)方面：其一是操作界面，將被檢測(cè)設(shè)備界面作為一級(jí)界面，用戶可以在當(dāng)前界面上選定需要檢定的設(shè)備，如心電圖機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀等。將檢定項(xiàng)目界面作為二級(jí)界面，根據(jù)被檢設(shè)備類型的不同，二級(jí)頁(yè)面上包含的檢定項(xiàng)目在5～10個(gè)不等，如設(shè)定導(dǎo)聯(lián)電極、設(shè)置輸出信號(hào)等[3]。為了優(yōu)化用戶體驗(yàn)，在選擇檢定項(xiàng)目后自動(dòng)給出輸出信號(hào)的波形、頻率、幅值等參數(shù)，不需要用戶單獨(dú)設(shè)置。其二是檢定信號(hào)輸出，具體又分為數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生與硬件設(shè)置2個(gè)部分，前者是利用函數(shù)模型將獲取到的信號(hào)轉(zhuǎn)化成定時(shí)輸出的檢定信號(hào)，后者則包括硬件初始化、疊加信號(hào)選擇等。檢定儀的軟件系統(tǒng)組成如圖3所示。

1.3" 檢定儀軟件和硬件的交互設(shè)計(jì)

本文基于RPI設(shè)計(jì)的心電圖機(jī)計(jì)量檢定儀，其軟件部分在RPI處理器上運(yùn)行，通過支持MIPI-DSI協(xié)議的帶狀排針與LCD液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)信息交互。在RPI處理器產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變?yōu)槟M信號(hào)，其中RPI處理器與D/A轉(zhuǎn)換器之間的通信執(zhí)行SPI協(xié)議。模擬信號(hào)在定時(shí)器的控制下實(shí)現(xiàn)定時(shí)輸出。檢定儀的操作步驟如下：用戶首先在一級(jí)界面上選定被檢設(shè)備，單擊鼠標(biāo)左鍵后跳轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的二級(jí)界面。在當(dāng)前界面上，用戶遵循檢定規(guī)程選擇檢定項(xiàng)目、導(dǎo)聯(lián)電極。此時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行一個(gè)判斷程序“是否調(diào)整參數(shù)？”，如果檢定項(xiàng)目需要對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，則通過“+”或“-”實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)整，調(diào)整后再次執(zhí)行上述判斷程序，直到判斷結(jié)果為“N”，跳出循環(huán)程序并判斷“是否換擋？”。如果檢定項(xiàng)目有多組幅值、頻率的信號(hào)輸出，需要對(duì)各組參數(shù)執(zhí)行換擋操作，在換擋完成后輸出相應(yīng)的信號(hào)。判斷所有檢定項(xiàng)目是否結(jié)束，如果有其他檢定項(xiàng)目則重復(fù)上述流程進(jìn)行檢定，在全部項(xiàng)目檢定結(jié)束后結(jié)束程序[4]。檢定儀的操作流程如圖4所示。

2" 基于RPI的便攜式低功耗心電圖機(jī)計(jì)量檢定儀功能測(cè)試

2.1" 操作界面功能測(cè)試

選擇一臺(tái)裝有Windows10系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，安裝交叉編譯工具鏈，將Windows系統(tǒng)與RPI處理器的Linux系統(tǒng)進(jìn)行交叉編譯，使檢定儀的操作界面能夠在計(jì)算機(jī)顯示屏上呈現(xiàn)出來(lái)。同步運(yùn)行檢定儀的硬件和軟件后進(jìn)入到登錄界面，輸入賬戶名與密碼點(diǎn)擊“確定”，跳轉(zhuǎn)至“便攜式低功耗心電圖機(jī)計(jì)量檢定儀”一級(jí)界面，該界面上有定標(biāo)電壓、電壓測(cè)量、時(shí)間間隔和幅頻特性等功能選項(xiàng)。選擇對(duì)應(yīng)的功能后跳轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)的二級(jí)界面，以“定標(biāo)電壓”為例，在二級(jí)界面上可以設(shè)定導(dǎo)聯(lián)、幅度、頻率等參數(shù)，以及是否進(jìn)行換擋。經(jīng)過測(cè)試，便攜式低功耗心電圖機(jī)計(jì)量檢定儀系統(tǒng)的操作界面設(shè)計(jì)友好、簡(jiǎn)潔方便，能夠滿足檢定需求。

2.2" 系統(tǒng)輸出功能測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的檢定儀系統(tǒng)可通過RPI處理器輸出多種信號(hào)，如方波信號(hào)、微分信號(hào)、心率信號(hào)等。這些數(shù)字信號(hào)再通過D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號(hào)，然后才能進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)、信號(hào)疊加等一系列處理。信號(hào)質(zhì)量決定了檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性，也是衡量檢定儀系統(tǒng)應(yīng)用效果的重要指標(biāo)，本文選擇心率（HR）信號(hào)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了驗(yàn)證。在測(cè)試中，改變心率信號(hào)的電壓峰值和頻率，統(tǒng)計(jì)不同條件下檢定儀系統(tǒng)輸出心率信號(hào)的相對(duì)誤差[5]。將電壓峰值分別設(shè)定為0.5、1、3、-0.5、-1 和-3 mV，進(jìn)行6組測(cè)試。為了消除誤差，每組測(cè)試重復(fù)進(jìn)行3次，取3次測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值作為最終結(jié)果，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

由表1數(shù)據(jù)可知，6組測(cè)試中輸出信號(hào)的最大誤差為0.03%（取絕對(duì)值），該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家計(jì)量規(guī)程中設(shè)定的3%的計(jì)量精度要求，說(shuō)明檢定儀心率信號(hào)輸出幅度精度較高。同樣地，將頻率分別設(shè)定為0.1、1、10和100 Hz，進(jìn)行6組測(cè)試，每組重復(fù)3次取平均值，4種頻率下檢定儀心率信號(hào)的精度見表2。

由表2數(shù)據(jù)可知，4種頻率下心率信號(hào)的最大誤差為0.03%，低于國(guó)家計(jì)量規(guī)程中設(shè)定的1%的計(jì)量精度要求。并且在頻率為1 Hz以內(nèi)（即心率值為60次/min）時(shí)，檢定儀系統(tǒng)輸出的心率信號(hào)為0誤差，說(shuō)明心率信號(hào)輸出精度較高，能夠滿足日常的檢定需要。

3" 結(jié)束語(yǔ)

心電圖機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀等設(shè)備將檢測(cè)到的心電信號(hào)以波形的形式輸出，以便于醫(yī)護(hù)人員判定患者的生命體征和健康狀況，因此保證心電圖機(jī)輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本文基于RPI微處理器設(shè)計(jì)的心電圖機(jī)計(jì)量檢定儀，可以通過D/A轉(zhuǎn)換器自動(dòng)將獲取的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，并對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行衰減、疊加等處理，保證最終檢定結(jié)果的精確性。同時(shí)，該檢定設(shè)備還具有尺寸小巧、功耗較低、方便攜帶等特點(diǎn)，支持不同場(chǎng)景下對(duì)心電圖機(jī)、腦電圖機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀等常用設(shè)備的檢定。從測(cè)試情況來(lái)看，該檢定儀在不同電壓峰值和頻率下輸出心率信號(hào)的精度均在國(guó)家計(jì)量規(guī)程允許誤差之內(nèi)，可以滿足檢定要求。

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作者簡(jiǎn)介：張榮毅（1993-），男，助理工程師。研究方向?yàn)橛?jì)量檢定。