0 引言
隨著現(xiàn)在社會的發(fā)展，人們也日益開始關注健康事業(yè)的發(fā)展，對醫(yī)學技術的要求也越來越高。現(xiàn)實中很多病例無法通過現(xiàn)實病例學習，更多的醫(yī)生培養(yǎng)只能通過模擬設備進行，心電 波形模擬波形發(fā)生 系統(tǒng)的設計就是其中一個例子。
心電模擬發(fā)生系統(tǒng)使用4種不同頻率的標準心電波形及用于測試的方波、鋸齒波、三角波和正弦波，通過算法擬合出病人的34種異常心電波形(包括成人和兒童的)，各周期波形可采用插入不同的延時子程序來實現(xiàn)。提取醫(yī)院病人的異常心電波形，通過擬合的方法可以模擬和轉換除顫后的正常波形，依據(jù)此方法設計出一個心電信號發(fā)生系統(tǒng)，系統(tǒng)可以采集、模擬任意導聯(lián)心電信號，并將結果存儲到心電數(shù)據(jù)庫供研究分析使用。最后設計出一種用微控制器和波形輸出以及鍵盤轉換電路構成的心電模擬波形發(fā)生器。
1 系統(tǒng)設計
心電模擬波形系統(tǒng)主要以ARM9 處理單元為核心，另外還有高壓除顫采集電路、D／A轉換模塊、波形輸出電路、鍵盤接口電路與監(jiān)護儀信號匹配以及應用程序的設計等幾個部分。
ARM微處理器是一種高性能、低功耗的32位微處器，它被廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)中。ARM9代表了ARM公司主流的處理器，已經(jīng)在手持電話、機頂盒、數(shù)碼像機、GPS、個人數(shù)字助理以及因特網(wǎng)設備等方面有了廣泛的應用。
本系統(tǒng)采用的ARM9嵌入式開發(fā)平臺，主要利用ARM9豐富的I／O資源和快速處理的強大功能。ARM9處理器的主要結構及其特點如下：
(1)32 b定點RISC處理器，改進型ARM／Thumb代碼交織，增強性乘法器設計。支持實時(real-TIme)調試。
(2)片內指令和數(shù)據(jù)SRAM，而且指令和數(shù)據(jù)的存儲器容量可調。
(3)片內指令和數(shù)據(jù)高速緩沖器(cache)容量從4 KB～1 MB。
(4)設置保護單元(protcction unit)，非常適合嵌入式應用中對存儲器進行分段和保護。
(5)采用AMBA AHB總線接口，為外設提供統(tǒng)一的地址和數(shù)據(jù)總線。
(6)支持外部協(xié)處理器，指令和數(shù)據(jù)總線有簡單的握手信令支持。
(7)支持標準基本邏輯單元掃描測試方法學，而且支持BIST(built-in-self-test)。
(8)支持嵌入式跟蹤宏單元，支持實時跟蹤指令和數(shù)據(jù)。
新一代的ARM9處理器通過全新的設計，采用更多的晶體管，能夠達到高于ARM7處理器兩倍以上的處理能力。這種處理能力的提高是通過增加時鐘頻率和減少指令執(zhí)行周期實現(xiàn)的。
2 硬件電路和原理
該部分主要分為ARM9硬件平臺、D／A轉換、波形輸出電路、信號的采集以及右腳驅動電路的共模負反饋電路。系統(tǒng)在ARM9處理單元的控制下，D／A轉換電路把波形數(shù)據(jù)轉換為模擬量進行輸出。當接收到高壓除顫信號后，處理器就會把異常心電波形采集轉換成為正常的心電波形圖。
系統(tǒng)硬件連接圖如圖1所示。
2．1 D／A轉換原理
心電模擬信號就必須通過采樣量化為數(shù)字量并將其存儲在數(shù)據(jù)存儲器內，供軟件進行分析使用。這個過程必須通過AD轉換器來實現(xiàn)。有數(shù)字量轉化為模擬量的D／A轉換模式：
(1)采用D／A轉換芯片；
(2)采用PWM方式，即脈寬調制；
(3)采用f-v方式，即頻率電壓轉換。
通過對心電圖信號波形的分析可知，波形變化周期大約是1 s，因此采用頻率電壓轉換方式已經(jīng)具備足夠的數(shù)模轉換精度，頻率轉換指標也滿足要求，而且該方式所用硬件少，一般都是用軟件來實現(xiàn)的。
該部分是系統(tǒng)的核心，為了實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)對這些電模擬量進行檢測、運算和控制，需要一個模擬量與數(shù)字量之間的相互轉換的過程，即常常需要將數(shù)字量轉換成模擬量，簡稱D／A轉換，完成這種轉換的電路為數(shù)模轉換器(Digital to Analog Converter，DAC)。
為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和信號的要求，D／A轉換芯片采用8位并行的DAC0832 芯片，由12 V單電源供電，每個DAC有各自獨立的基準輸入。 DAC0832芯片結構框圖如圖2所示。
2 系統(tǒng)硬件部分設計
該部分主要分為ARM9硬件平臺、D／A轉換、濾波電路、高壓除顫信號的采集，其系統(tǒng)硬件連接圖如圖2所示。系統(tǒng)在ARM9的控制下，由D／A轉換把波形數(shù)據(jù)轉換為模擬量進行輸出。當接收到高壓采集信號后，處理器就會轉換輸出另一種心電波形圖。
2．1 D／A轉換和電阻衰減網(wǎng)絡
該 部分是系統(tǒng)的核心，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和ECG信號的要求，D／A轉換芯片采用8位并行的DAC0832芯片，由12 V單電源供電，每個DAC有各自獨立的基準輸入，對ARM9提供的數(shù)據(jù)進行變換，輸出部分采用4階巴特沃斯濾波，輸出的波形經(jīng)衰減后得到所要求的心電信 號，經(jīng)有源濾波后輸出波形的峰值可達到10 V，通過電阻分壓網(wǎng)絡得到0～5 mV的電壓輸出范圍?？紤]到要采用三路D／A，如果每一路獨占8個I／O端口，再加上若干控制端口，處理器提供的I／O端口數(shù)遠不能滿足要求，所以計劃采 用共用數(shù)據(jù)端口，外接I／O口片選的方式來實現(xiàn)，這樣可以節(jié)約16個I／O口，也滿足了信號輸出同步性的要求。
2．2 高壓信號采集電路設計
該部分采集除顫器上的高壓放電信號，由于高壓除顫信號具有的放電電流具有雙向性，且放電時間只有4 ms，瞬態(tài)電壓可達到3 000 V，所以在安全性能上要充分考慮。該部分電路圖如圖3所示。
電路中采用大功率電阻和瞬態(tài)抑制二極管對高壓放電信號進行預處理，將高壓信號降低到比較小的范圍，通過整流電路把電流變?yōu)閱蜗蛄鲃?，然后通過光耦隔離輸入到ARM9的I／O口中，起到保護處理器的作用。
3 軟件設計
系統(tǒng)的硬件為基本功能和擴展功能的實現(xiàn)奠定了牢固的基礎，軟件系統(tǒng)的設計就是要充分利用硬件平臺的資源，實現(xiàn)軟件操作的有序運行。
軟件開發(fā)工作涉及到以下兩個方面：接口驅動程序的修改和完善；應用層軟件的開發(fā)。應用層的程序全部用C++開發(fā)完成的。
圖4是整個系統(tǒng)的軟件模塊結構圖。
3．1 D／A驅動程序和高壓信號采集驅動部分
設 備驅動程序是操作系統(tǒng)內核和機器硬件之間的接口。設備驅動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)，這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程 序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作，以往在開發(fā)應用程序時都有一個main函數(shù)作為程序的入口點，而在驅動開發(fā)時卻沒有main函數(shù)，模塊在調 用insmod命令時被加載，此時的入口點是init module函數(shù)，通常在該函數(shù)中完成沒備的注冊。同樣，模塊在調用rmmod函數(shù)時被卸載，此時的入口點是cleanup module函數(shù)，在該函數(shù)中完成設備的卸載。在設備完成注冊加載之后，用戶的應用程序就可以對該設備進行一定的操作，如read，write等，而驅動 程序就是用于實現(xiàn)這些操作，在用戶應用程序調用相應入口函數(shù)時執(zhí)行相關的操作，init roodule入口點函數(shù)則不需要完成其他如read，write之類功能。
驅動程序主要函數(shù)如下：
3．2 系統(tǒng)應用程序設計與實現(xiàn)
該 系統(tǒng)的應用程序是基于Qt／Embedded設計的，目前使用的嵌入式GUI系統(tǒng)存在 Microwindows，MiniGUI，Qt／Embedded，Qt／Embedded延續(xù)了Qt的強大功能，可以運行在多種不同的處理器上部署的 嵌入式Linux操作系統(tǒng)。Qt／Embedded提供了信號和插槽的編程機制，該部分采用的Qt是一個創(chuàng)建GUI程序的C++類庫，編寫Qt應用程序的 主要工作是基于已有的Qt類編寫用戶類。該部分主要分為波形界面的實現(xiàn)和用戶按鍵控制的實現(xiàn)，波形顯示采用Qt的函數(shù)類庫Qpainter，由于波形界面 顯示兩路心電波形，會產生延遲效果，所以引入了多線程機制協(xié)調，Qt支持多線程，有獨立于平臺的線程類，線程安全方式的時間傳遞和一個全局Qt庫互斥量允 許不同的線程調用Qt方法。
4 結語
本系統(tǒng)設計采用三星2440嵌入式處理器作為核心搭建了硬件平臺，并采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)并結合外圍的D／A轉換部分、與監(jiān)護儀匹配網(wǎng)絡、高 壓信號采集部分、應用程序控制部分等實現(xiàn)了心電除顫模擬發(fā)生系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)可以很好地模擬醫(yī)學除顫的過程，并可以與醫(yī)用監(jiān)護儀相連接，輸出符合醫(yī)學標 準的34種常見異常心率波形，由于系統(tǒng)使用嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)，因此該設計具有很高的實時性、穩(wěn)定性和可靠性?！ ?/div>
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