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(hù)設(shè)備的效率、保證心電監(jiān)護(hù)設(shè)備臨床診斷的準(zhǔn)確性，增加臨床教學(xué)過(guò)程的生動(dòng)性；設(shè)計(jì)開發(fā)了一款低功耗心電信號(hào)發(fā)生器。本設(shè)計(jì)以TI公司新一代超低功耗單片機(jī)MSP430F5529為系統(tǒng)主控芯片，使用其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、編碼；通過(guò)雙路數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）實(shí)現(xiàn)對(duì)人體標(biāo)準(zhǔn)心電信號(hào)的模擬輸出。系統(tǒng)以雙導(dǎo)聯(lián)形式輸出心電信號(hào)，心率可調(diào)范圍為30～180bpm，心率步進(jìn)間隔為1bpm，信號(hào)幅度小于1mV。

【關(guān)鍵詞】心電信號(hào)發(fā)生器 單片機(jī) 心電

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用TI公司新一代超低功耗單片機(jī)MSP430F5529為系統(tǒng)主控芯片并完成對(duì)心電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和編碼；DAC將心電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)高性能運(yùn)放平滑濾波、放大后再將信號(hào)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(jì)，硬件電路包括：電源模塊，系統(tǒng)控制模塊（單片機(jī)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(yùn)放和DAC，-5V供給運(yùn)放，+3.3V供給單片機(jī)。

顯示按鍵模塊，系統(tǒng)輸出信號(hào)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(rèn)鍵，當(dāng)用S1和S2設(shè)置好心率時(shí)，需按下確認(rèn)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(hào)輸出，分別模擬人體左右手心電信號(hào)。

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

2 標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)

如圖2所示，一個(gè)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(guò)程，正常時(shí)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(shí)間為 0.12 秒到 0.2 秒；QRS 波群代表心室除極全過(guò)程，正常時(shí)間為 0.06秒到 0.1 秒；S-T 段代表心室復(fù)極全過(guò)程；T波反應(yīng)心室復(fù)極后期的電位變化，正常時(shí)間為0.1秒到0.25秒。本文使用美國(guó)麻省理工學(xué)院提供的MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫(kù)的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣編碼。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)心電圖MIT-BIH（118）用MATLAB進(jìn)行采樣，采樣率為設(shè)為500，得到編碼值存儲(chǔ)于單片機(jī)中作為標(biāo)準(zhǔn)心電數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(jì)采用前后臺(tái)程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行架構(gòu)。在前后臺(tái)程序結(jié)構(gòu)中，所有后臺(tái)任務(wù)是依次順序執(zhí)行的，一個(gè)任務(wù)執(zhí)行完成后才執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)，不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)后臺(tái)任務(wù)同時(shí)訪問(wèn)共享資源的情況；其結(jié)構(gòu)靈活，實(shí)現(xiàn)手段多樣，可以根據(jù)實(shí)際需要靈活地調(diào)整。程序設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，各個(gè)模塊與硬件電路模塊一一對(duì)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(hù)。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(shí)鐘初始化、LED顯示引腳初始化、按鍵中斷初始化、定時(shí)器初始化、心率編碼存儲(chǔ)、DAC0832控制引腳初始化等。初始化完成之后，設(shè)置輸出信號(hào)的心率為60，并使系統(tǒng)進(jìn)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(shí)器中斷、按鍵中斷程序。在按鍵中斷程序中檢測(cè)S1、S2是否按下，并做相應(yīng)的處理。當(dāng)心率大于75時(shí)心電周期小于0.8s，心電信號(hào)的各個(gè)波段時(shí)間減小，定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間也相應(yīng)變小。為了提高輸出信號(hào)的準(zhǔn)確度，程序使用定時(shí)器A0和A1分別計(jì)時(shí)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)制作了一款低功耗心電信號(hào)發(fā)生器，系統(tǒng)產(chǎn)生的未衰減心電信號(hào)如圖4藍(lán)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(hào)儀輸出的經(jīng)放大后的標(biāo)準(zhǔn)心電信號(hào)，輸出信號(hào)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(hào)，心率的步進(jìn)值為1bpm，信號(hào)幅度小于1mV。從圖4可以看出，系統(tǒng)輸出的信號(hào)準(zhǔn)確，和公司的心電信號(hào)儀輸出的信號(hào)質(zhì)量基本相當(dāng)。系統(tǒng)可以作為臨床工程師維修、維護(hù)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(kuò)展至十二導(dǎo)聯(lián)形式、數(shù)據(jù)庫(kù)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(hào)形成多功能心電信號(hào)發(fā)生器。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

楊勇（1987-），男，碩士學(xué)位。助教。主要研究方向?yàn)樯窠?jīng)電生理信號(hào)的采集。

作者單位

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