心電模擬波形發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計
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隨著現(xiàn)在社會的發(fā)展，人們也日益開始關(guān)注健康事業(yè)的發(fā)展，對醫(yī)學(xué)技術(shù)的要求也越來越高?，F(xiàn)實中很多病例無法通過現(xiàn)實病例學(xué)習(xí)，更多的醫(yī)生培養(yǎng)只能通過模擬設(shè)備進(jìn)行，心電波形模擬波形發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換除顫后的正常波形，依據(jù)此方法設(shè)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(dǎo)聯(lián)心電信號，并將結(jié)果存儲到心電數(shù)據(jù)庫供研究分析使用。最后設(shè)計出一種用微控制器和波形輸出以及鍵盤轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的心電模擬波形發(fā)生器。
該系統(tǒng)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)心電圖的有關(guān)原理，利用數(shù)字技術(shù)和軟件仿真相結(jié)合的原理研制而成的，嚴(yán)格按照醫(yī)學(xué)的相關(guān)規(guī)定，產(chǎn)生的模擬心電波形完全滿足醫(yī)學(xué)教學(xué)的目的，在各種病人異常心電圖的關(guān)鍵點處達(dá)到幾乎逼真的效果。當(dāng)系統(tǒng)接收到高壓除顫信號以后，根據(jù)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)置，將異常心電波形轉(zhuǎn)換成正常的心電波形，這就模擬了一次正常的高壓除顫過程。該系統(tǒng)可以用于醫(yī)療培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，使學(xué)員快速掌握心電除顫的原理和方法，省去了很多不必要的麻煩，具有廣闊的市場前景。
1 系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)換模塊、波形輸出電路、鍵盤接口電路與監(jiān)護(hù)儀信號匹配以及應(yīng)用程序的設(shè)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(yīng)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(jī)頂盒、數(shù)碼像機(jī)、GPS、個人數(shù)字助理以及因特網(wǎng)設(shè)備等方面有了廣泛的應(yīng)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(qiáng)大功能。ARM9處理器的主要結(jié)構(gòu)及其特點如下：
(1)32 b定點RISC處理器，改進(jìn)型ARM／Thumb代碼交織，增強(qiáng)性乘法器設(shè)計。支持實時(real-time)調(diào)試。
(2)片內(nèi)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(diào)。
(3)片內(nèi)指令和數(shù)據(jù)高速緩沖器(cache)容量從4 KB～1 MB。
(4)設(shè)置保護(hù)單元(protcction unit)，非常適合嵌入式應(yīng)用中對存儲器進(jìn)行分段和保護(hù)。
(5)采用AMBA AHB總線接口，為外設(shè)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(biāo)準(zhǔn)基本邏輯單元掃描測試方法學(xué)，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(shè)計，采用更多的晶體管，能夠達(dá)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(zhuǎn)換、波形輸出電路、信號的采集以及右腳驅(qū)動電路的共模負(fù)反饋電路。系統(tǒng)在ARM9處理單元的控制下，D／A轉(zhuǎn)換電路把波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量進(jìn)行輸出。當(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)，供軟件進(jìn)行分析使用。這個過程必須通過AD轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。有數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量的D／A轉(zhuǎn)換模式：
(1)采用D／A轉(zhuǎn)換芯片；
(2)采用PWM方式，即脈寬調(diào)制；
(3)采用f-v方式，即頻率電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換方式已經(jīng)具備足夠的數(shù)模轉(zhuǎn)換精度，頻率轉(zhuǎn)換指標(biāo)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(jìn)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(zhuǎn)換的過程，即常常需要將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，簡稱D／A轉(zhuǎn)換，完成這種轉(zhuǎn)換的電路為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter，DAC)。
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