我們研制一種以單片機(jī)為中央處理單元的小型便攜式多功能心電信號(hào)發(fā)生器,功能齊全,操作簡(jiǎn)單,便于攜帶,可滿足各種心電圖分析和儀器開(kāi)發(fā)的需要。
1、設(shè)計(jì)要求
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在研制24小時(shí)動(dòng)態(tài)心電圖記錄和分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,綜合考慮儀器的通用性和實(shí)用性而提出的,要求能夠輸出平均心率4Obeat/m~180beat/m、幅度土5mV連續(xù)可調(diào)的心電信號(hào),除可以連續(xù)輸出給定規(guī)律變化的不同心率的竇性心博信號(hào)外,應(yīng)能連續(xù)輸出室性、室上性早博信號(hào)(包括單個(gè)、成對(duì)、二聯(lián)律、三聯(lián)律以及室速、室上速等),連續(xù)輸出不同形態(tài)及不同位移的ST段(包括ST水平下降,ST上斜,ST下斜)心博信號(hào);作為標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)信號(hào),應(yīng)能產(chǎn)生周期為1秒,脈寬為100ms,幅度為1mV的方波,其幅度的精度和穩(wěn)定度好于1%。上述信號(hào)均以三導(dǎo)聯(lián)(模擬CM-V5、CM-V1、CM-V3)同步輸出,并具有良好的人機(jī)交互能力。另外,應(yīng)能選擇穩(wěn)壓電源和電池兩種供電方式,用戶按液晶屏上的提示信息通過(guò)微動(dòng)式薄膜鍵盤(pán)控制信號(hào)的產(chǎn)生和調(diào)整。
2、硬件實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)采用ATMEL公司51系列的產(chǎn)品AT89C55為中央微控制器,為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和ECG信號(hào)的特殊要求,采用了MAX527作為四通道真12位DAC,對(duì)AT89C55提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換,產(chǎn)生伏特量級(jí)的模擬量供示波器進(jìn)行觀察,再經(jīng)衰減后得到所要求的心電信號(hào)。由于要存儲(chǔ)大量心電圖模板,選擇了AT89C55以使用該芯片含有的20KB的E2PROM。為保證電路的簡(jiǎn)化和低功耗,系統(tǒng)未采用單片機(jī)的擴(kuò)展模式,AT89C55的用戶I/O端口PO~P3均可作為用戶的I/O口使用。由于有較多外設(shè),P0口可同時(shí)作為L(zhǎng)CD模塊和MAX527數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入;P1口則部分作數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出通道的控制,部分接受鍵盤(pán)的外部中斷(鍵盤(pán)3×3,行列共6根數(shù)據(jù)線);P2口保留一部分,另一部分與的口中的P3.3~P3.5共同提供LCD模塊的狀態(tài)控制字;四口的其余部分用于控制MAX527的時(shí)序。系統(tǒng)使用了MAX527的全部四個(gè)通道,根據(jù)需要分別輸出CM-V5、CM-V1、CM-V3三路時(shí)間上同步的心電信號(hào)和一路模擬地信號(hào),當(dāng)前時(shí)鐘周期內(nèi)的輸出通道由管腳Al和AO的電平?jīng)Q定MAX527數(shù)字量存人的內(nèi)部通道寄存器。按每心拍250點(diǎn)的采樣率計(jì)算,雖然在每個(gè)采樣點(diǎn)上以三導(dǎo)聯(lián)的順序輸出,但在整個(gè)心拍的角度看三路信號(hào)完全同步。當(dāng)MAX527的內(nèi)部通道時(shí)確前一個(gè)完整的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程需要管腳陽(yáng)上的兩次低電平脈沖(脈沖寬度大于200ns),在**次脈沖期CSMSB低電平有效，輸入數(shù)字量的高四位;*后使管腳LDAG低電平有效，相應(yīng)的通道即有相應(yīng)的模擬量輸出。
系統(tǒng)采用的回D模塊內(nèi)藏回T6963C點(diǎn)陣式液晶圖形顯示控制器,能夠與80系列的8位微處理器直接接口,具有128個(gè)字符的內(nèi)部字符發(fā)生器CGRAM,并可管理64K的顯示緩沖區(qū),允許MCU隨時(shí)訪問(wèn)顯示緩沖區(qū)。該點(diǎn)陣式控制器可以用圖形方式、字符方式及圖形和字符合成方式進(jìn)行顯示,以先參數(shù)再指令代碼的方式執(zhí)行帶參數(shù)的控制器指令。在本系統(tǒng)中,采取MCS51匯編語(yǔ)言的形式實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)的送人。
3、軟件結(jié)構(gòu)
由于MCU要控制鍵盤(pán)、液晶顯示和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等較多外設(shè),又要實(shí)現(xiàn)的較多的功能,這給軟件的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了種種的困難。
3.1、心電數(shù)據(jù)模塊的處理
不同的心電圖序列的數(shù)據(jù)模塊與運(yùn)行程序同時(shí)要寫(xiě)入MCU的E2PROM,這就要考慮ROM空間容量的問(wèn)題。以每秒250次采樣、每個(gè)采樣數(shù)據(jù)2字節(jié)計(jì)算,三導(dǎo)聯(lián)的每分鐘心電數(shù)據(jù)即要占有9OKB,這樣即使采用20KB E2PROM的MCU,也不可能容納我們所需各種形態(tài)的心電數(shù)據(jù)序列,為此設(shè)計(jì)了特征心拍代號(hào)的映射方法來(lái)解決。雖然在每個(gè)采樣點(diǎn)上以三導(dǎo)聯(lián)的順序輸出,但在整個(gè)心拍的角度看三路信號(hào)完全同步。當(dāng)MAX527的內(nèi)部通道寄存器確定后，一個(gè)完整的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程需要管腳WR上的兩次低電平脈沖(脈沖寬度大于200ns),**次脈沖期間使管腳CLSLB低電平有效,輸入數(shù)字量的低八位;在**次脈沖期間,使管腳CSMSB低電平有效,輸入數(shù)字量的高四位;*后使管腳LDAG低電平有效,相應(yīng)的通道即有相應(yīng)的模擬量輸出。系統(tǒng)采用的回D模塊內(nèi)藏T6963C點(diǎn)陣式液晶圖形顯示控制器,能夠與80系列的8位微處理器直接接口,具有128個(gè)字符的內(nèi)部字符發(fā)生器CGRAM,并可管理64K的顯示緩沖區(qū),允許MCU隨時(shí)訪問(wèn)顯示緩沖區(qū)。該點(diǎn)陣式控制器可以用圖形方式、字符方式及圖形和字符合成方式進(jìn)行顯示,以先參數(shù)再指令代碼的方式執(zhí)行帶參數(shù)的控制器指令。在本系統(tǒng)中,采取MCS51匯編語(yǔ)言的形式實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)的送人。
3.2、陣列式鍵盤(pán)反轉(zhuǎn)法判斷鍵位
反轉(zhuǎn)法是一種穩(wěn)定而有效的判斷按下鍵位置的方法。本系統(tǒng)采用了陣列式3×3鍵盤(pán)與MCU的P1口連接,其中列線為P1.2,P1.3,P1.4,行線為P1.5,P1.6,P1.7,而三根行線通過(guò)二極管接到微控制器的刑10(P3.2)管腳,作為外中斷輸入。首先將行線置高電平,列線置低電平。當(dāng)有鍵按下時(shí)發(fā)出中斷申請(qǐng),同時(shí)行線的數(shù)據(jù)輸入到內(nèi)存,其中0位即對(duì)應(yīng)按下鍵的列位置。然后再將行線置低電平,列線置高電平,則行線數(shù)據(jù)中的0位對(duì)應(yīng)按下鍵的行位置。這樣行列位置確定鍵位后,由鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序賦予相應(yīng)的鍵值,從而轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。
系統(tǒng)的鍵盤(pán)中斷使用微控制器的外中斷刑10,中斷向量為0003H。鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序中的參數(shù)keyBuf用于控制主程序的流程,如信號(hào)發(fā)生的開(kāi)始、暫停和退出等;而Amplitude、HeartRate、Module分別控制心電信號(hào)的幅度、心率和當(dāng)前序列,是心電信號(hào)的主要參數(shù),與非鍵盤(pán)控制的當(dāng)前序列指針參量共同確定一個(gè)心拍的輸出結(jié)果。
3.3、采用時(shí)鐘中斷延時(shí)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)心率
由于每?jī)纱螖?shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程中要做大量的計(jì)算工作,因而占去了較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。例如。對(duì)于心率為40~180的情況下,每次數(shù)字量輸出之間的間隔為1.3ms~6ms通過(guò)軟件模擬,在12MHz的外部晶振下,上述計(jì)算工作的運(yùn)行時(shí)間約為0.8m,顯然通過(guò)在主程序中加入循環(huán)延時(shí)難以對(duì)心率**控制。因此,在本系統(tǒng)中,使用了時(shí)鐘中斷源1的方式1來(lái)控制輸出信號(hào)的心率。
程序運(yùn)行時(shí)首先通過(guò)定時(shí)器1自定義用戶周期(當(dāng)前心拍長(zhǎng)度/采樣率),然后在當(dāng)前的用戶周期中輸出三導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)和模擬地信號(hào),當(dāng)輸出工作完成后,用戶程序進(jìn)入等待狀態(tài),直到下一個(gè)用戶周期開(kāi)始。在整個(gè)用戶周期中,定時(shí)器一直進(jìn)行計(jì)數(shù),即TH1、TL1相連成十六位計(jì)數(shù)器并在每個(gè)機(jī)器周期后對(duì)初始值X加1,當(dāng)X=0FFFFH+1溢出時(shí)產(chǎn)生時(shí)鐘中斷。不難看出,兩次中斷問(wèn)時(shí)間Y滿足Y=(10000H-X)×時(shí)鐘周期,并且Y×250=當(dāng)前心率,這樣可由(216-X)×MCU時(shí)鐘周期=當(dāng)前心率/250確定初始值X。每當(dāng)新用戶周期開(kāi)始,都應(yīng)在計(jì)數(shù)器存入當(dāng)前心率所得到得X,這樣就能保證**地控制產(chǎn)生心電信號(hào)的心率。
4、實(shí)際應(yīng)用
設(shè)計(jì)完成的多功能心電信號(hào)發(fā)生器,在我們研制的新型24小時(shí)動(dòng)態(tài)心電圖記錄和分析系統(tǒng)上進(jìn)行了應(yīng)用性試驗(yàn)。結(jié)果表明該系統(tǒng)可連續(xù)24小時(shí)輸出心電信號(hào),不同心搏特征明確,幅度、心率、形態(tài)易于調(diào)整,并準(zhǔn)確通過(guò)了分析程序的檢測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)高度集成,隨身攜帶,用戶液晶界面顯示清晰,薄膜面板上微動(dòng)鍵盤(pán)操作簡(jiǎn)單,并具有電源和電池供電選擇,可滿足各種心電圖分析儀器研制、生產(chǎn)及維護(hù)中的應(yīng)用要求。
公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
