基于ARM系统的手持式心电图机检定仪

本文介绍基于ARM系统的手持式心电图机检定仪, 采用ARM系统作为控制核心及彩色触摸屏幕为操作界面。仪器供电使用内置锂电池供电, 无需外接电源。该仪器内置软件以国家检定规程作为基础依据, 同时又具有根据需要添加各种病理波形功能, 可逐渐建立个性化波形库。

手持式心电图机检定仪是基于相应国家检定规程而研制的, 用于现场检定心电图机的仪器。该检定仪主要由微处理器控制模块、信号发生器、信号调理模块、模拟皮肤阻抗网络、彩色触摸屏操作界面、电源模块、无线通信模块组成, 如图1所示。

检定仪的核心控制芯片采用ST公司的ARM处理器芯片STM32F107VC, ARM控制芯片连接无线通信模块和SD卡存储模块, 可以实现无线通信和大容量数据存储, ARM控制器在检定仪中的重要功能是作为信号发生器, 波形由软件算法产生, 通过DAC端口输出。信号调理模块由参数可控的多级放大器和衰减器组成, 其作用是使输出信号的幅度达到指标要求。阻抗网络用于提供检定所需要的电极阻抗, 如模拟皮肤电极阻抗、输入阻抗检定取样阻抗等。检定仪采用4.3吋, 分辨力为272×480的触摸式彩色液晶屏作为人机交互界面, 界面内容、触摸设置等被固化在触摸屏的Flash Rom中, ARM控制器通过串口控制触摸屏。检定仪采用锂电池供电, 电源模块负责锂电池的充电管理, 并为各模块提供所需的电源。

检定仪采用的32位ARM控制器STM32F107VC工作频率为72MHz, 能提供90DMIPS的处理性能, 芯片包含64k字节SRAM、256k字节Flash存储器、2个12位DAC、2个12位ADC、8个定时器, 通信接口包括USART、SPI、CAN、以太网及USB等。手持式心电图机检定仪的系统硬件设计充分利用了ARM控制器的外设和接口资源来实现设计所需的功能, 系统结构如图2所示。

检定仪输出波形的核心是信号发生器, 它能够输出正弦波、方波 (1∶1、占空比可调) 、三角波、ECG仿真信号源、标准心率信号源等波形, 根据检定规程, 准确度要求为:

(1) 方波、正弦波、三角波、ECG仿真信号源

电压范围:0.1m V~5V (峰-峰值) ;MPE:±0.5%

周期范围: (0.01~10) s;MPE:±1%

(2) 标准心率信号源

心率范围: (20~300) 次/min;MPE:±1%

幅度范围:0.5m V~5V (峰-峰值) ;MPE:±1%

检定仪的各种信号波形通过在ARM芯片上运行的数字频率合成 (DDS) 算法产生。DDS算法基本架构如图3所示。

DDS的核心是相位累加器, 在每个系统时钟周期, 调谐字M与相位寄存器中的值相加得到波形数据表的地址, 然后根据该地址从波形数据表取出数据并加载到D/A转换器, 从而得到所需的信号波形。

DDS产生的波形其频率是可调谐的, 调谐公式为:fout=M×fc/2n, 其中:fout为输出频率;M为调谐字;fc为系统时钟, n为相位累加器的位数。一般通过调谐字M和系统时钟fc调节输出频率。DDS算法的程序流程如图4所示。

DAC输出为幅度2.5V的单极性信号, 而检定仪要求的输出为幅度连续可调节的毫伏级双极型信号, 两者之间的转换通过信号调理模块实现。信号调理模块由数字电位器、放大器和衰减器组成, 组成架构如图5所示。

图中两个数字电位器都工作在分压器模式, 由CPU通过SPI接口控制分压比。其中数字电位器1用来控制波形信号的幅度, 数字电位器2用来产生零位电平, 单极性的DAC输出信号通过减法器减去零位电平可得到所需的双极性信号。

数字电位器分压输出的信号幅度不宜过小, 因为数字电位器的量化误差在小信号时将会影响准确度, 受数字电位器分辨力的影响, 信号越小, 相对误差越大, 所以数字电位器调节范围是有限的, 其主要作用是在一定范围内的细调。而大比例的幅度调节由后级的放大器和衰减器完成, 放大倍数和衰减比被划分为不同挡级, 由软件控制继电器切换挡级。通过上述各环节相互配合, 能够让信号满足检定规程中关于幅度精确度的指标要求。

手持式心电图机检定仪的阻抗网络在设计上需要考虑各类规程的检定项目对于电极阻抗的相关要求, 以增强检定仪的适用性。阻抗网络结构如图6所示。

图中Z为620kΩ电阻与4.7n F电容并联的输入阻抗检定取样阻抗, Z1为51kΩ电阻与47n F电容并联的模拟皮肤电极阻抗。阻抗网络针对不同的测试项目设置不同的开关组合。阻抗网络使用表面安装的微型继电器实现开关自动控制, 该类继电器具有体积小、低功耗等特点, 适合在手持设备上使用。

人机交互部分以ARM控制模块为核心, 以彩色触摸屏为载体, 操作输入和显示都通过它来实现。人机界面把检定机型选择作为第一级菜单;同一机型中的各类检定项目选择作为第二级菜单;具体检定项目的设置作为第三级菜单。实施检定时可根据需要, 通过点击按钮选择检定机型、检定项目、设置导联电极以及信号波形的幅值、频率大小。在第三级菜单中, 波形幅度和频率等参数已按规程设定成默认值, 用户只需很少的操作即可完成设备检定, 而不必硬记规程条款, 人性化的操作界面能够使检定工作更为方便和高效。

检定仪的电源模块为系统各部分提供所需的电能。电源模块由大容量锂电池、充电器以及电源转换电路三部分组成。结构如图7所示。

大容量锂电池能满足仪表在不插电情况下长时间连续工作的需要。充电器采用智能式充电管理, 充电电流根据电池电压自动调节, 同时具有温度保护及过流保护功能。电源转换电路由升压降压DC-DC电源转换芯片及相关元器件构成, 用于把电池电压转换为系统各模块所需的电源电压。

手持式心电图机检定仪配置有蓝牙通信模块和SD卡存储模块, 可通过无线方式接受特殊病理波形输入存储, 也可将检定过程的原始记录数据存储或发送至电脑或手持终端。

由于手持式心电图机检定仪系统软件功能较为复杂, 为了提高开发效率, 软件采用基于μC/OS嵌入式操作系统的设计方法, μC/OS是一个多任务的实时操作系统, 程序由多个相对独立的任务单元组成, 每个任务有自己的优先级, 在操作系统的调度下运行。任务之间的通信通过信号量和消息邮箱方式实现。各个任务同时进行编程可使效率大幅提高。根据仪表功能建立任务如图8所示。

人机界面任务负责根据用户指令启动或终止其他各项任务。信号发生器任务是检定仪的核心任务, 程序流程如图9所示。

本文介绍的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪的设计完全符合JJG749-2007《心、脑电图机检定仪检定规程》的要求。该检定仪有如下特点:

1. 基于ARM嵌入式开发系统的智能化信号发生器, 方便仪器的升级和功能拓展。

2. 仪器人机界面采用彩色液晶触摸屏, 使得检定过程直观、便捷。

3. 具备大容量SD数据存储功能, 内置了标准方波、正弦波、三角波、ECG仿真信号等波形, 在满足基本检定要求的同时, 也可方便操作人员自行添加定制波形信号, 丰富了系统的功能。此外也可方便地进行数据查询、数据导出。

4. 具有无线通信功能, 可将数据传输至电脑, 手持终端以及远程的服务器。

5.整个仪器采用手持化一体设计, 锂电池供电。具有重量轻体积小, 方便携带, 无需使用检测场地的电源即可完成检定。