多功能医学心电信号发生器研制

黄育雁

摘 要： 设计一个能够输出用于医学上的标准心电图信号，同时还能输出其他波形信号的发生器。在设计过程中，首先研究该发生器的设计要求，再对其硬件的各部分电路进行研究，最后对其软件的各部分程序进行研究。经过软件调试的结果完全达到其设计要求，可以满足各种心电图仪器的校准和维护的应用要求。

关键词： 心电信号发生器； PWM； ARM； 医学应用

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）14?0098?02

Development of multi?function ECG signal generator

HUANG Yu?yan

（Department of Information Technology， Hainan Medical College， Haikou 571101， China）

Abstract： A generator that can output standard ECG signal used in medicine and output other waveform signals is designed. In the design process， the design requirements of the generator， every part of the circuit of its hardware and each part of program of its software are researched. The software debugging results proves that the generator has reached the design requirement. The generator was designed， which can meet the application requirements of ECG instrument calibration and maintenance for a variety of medical schools.

Keywords： ECG signal generator； PWM； ARM； medical application

基于ARM芯片，利用PWM原理实现心电信号的解决方案，将处理过的PWM信号直接通过低通滤波器而得到所需波形信号。该设计硬件设计上采用了NXP公司生产的基于ARM Cotex?M3内核的LPC1768芯片作为信号发生器的主控芯片，充分利用了该芯片丰富的外设资源以及高集成度的特性和快速处理数据的能力。本设计能够输出用于医学上的标准心电图信号，同时还能输出其他的波形信号，如：正弦波信号、三角波信号、锯齿波信号、反锯齿波信号和方波信号等一系列信号，是一种小型便携式多功能心电信号发生器，功能齐全，操作简单，便于携带，可满足医学院校的实验教学[1]、医疗仪器校准[2?3]、测试[4]和演示[5?6]等领域。

1 设计要求

本设计主要研究内容为利用ARM芯片控制产生用于医疗器械检测的信号源，具体为心电图波形信号、正弦信号、三角波信号、锯齿波信号、反锯齿波信号、方波信号等。主要完成的工作如下：

（1） 基于ARM的PWM控制模块的实现；

（2） 利用Matlab提取所需波形数据；

（3） 使用一块2.4英寸240×320的TFT?LCD显示屏对信号的参数进行显示。

2 硬件实现

2.1 总体硬件设计框架

本设计中将ARM LPC1768作为主控芯片，产生PWM信号，将其通过一个二阶的RC低通滤波器就能输出所需信号，通过按键电路，控制输出信号频率；通过GPIO口连接显示电路，显示输出信号幅度、频率参数。具体系统硬件结构如图1所示。

2.2 按键部分

本系统中共设计了3个按键，其中一个是复位按键，控制整个系统的硬件复位；其余两个按键用来分别控制频率的增加和减少。

2.3 电源部分

电源模块中使用外部9 V直流稳压电源或者USB供电，当使用外部9 V电源供电时，先利用电源芯片LM1117?5将电压降为5 V，然后再利用一片LM1117?3.3将5 V电压变为LPC1768正常工作电压3.3 V；当使用USB供电时，只需使用跳线连接到LM1117?3.3芯片上，就能为系统提供正常工作电压。

图1 系统硬件结构图

2.4 LCD显示部分

显示模块的主要功能是将输出信号的参数实时的通过LCD屏显示出来，便于指示和操作。在显示模块中使用的北京铭正同创科技有限公司生产的MzT24?2显示器，它是一块高画质的TFT真彩LCD，带有丰富的接口、编程使用方便、扩展接口容易等优异性能。MzT24?2内置专用驱动和控制IC（SPFD5408），并且驱动IC自己集成显示缓存，无需外部显示缓存。

2.5 低通滤波部分

由LPC1768输出PWM信号后，将其通过一个二阶的无源RC低通滤波器，滤除高频成分。

3 软件结构

系统的软件设计主要包括PWM处理程序、按键处理子程序和LCD驱动程序这三个主要部分，程序设计流程图如图2所示。

图2 程序设计流程图

3.1 集成开发环境LPCXpresso

LPCXpresso开发套件是恩智浦公司推出的基于功能强大的Eclipse集成开发环境（IDE）工具，拥有由恩智浦设计的全新、直观的用户界面、针对Cortex?M优化的编译器和函数库、LPC?Link JTAG/SWD调试探针和目标板，为用户提供功能丰富的开发工具[7]。本系统的所有软件设计都是在LPCXpresso IDE中用C语言编写、调试完成的，利用LPC?Link将程序下载到目标板上。

3.2 PWM程序控制

在程序设计中，为了让PWM信号的占空比按照采样波形变化，当匹配寄存器MR0发生匹配时，产生中断，进入PWM中断处理子程序，在子程序中，设置匹配寄存器MR1～MR6的数值，分别按照采样的数据进行配置，最后就能输出占空比按波形变化的PWM信号。

3.3 按键程序设计

按键的功能主要是通过改变PWM信号的周期来控制输出信号的频率。在设计按键程序时，不能忽略按键时的抖动。总的来说去抖动有两种办法：一种是通过硬件电路的方法防止抖动；还有一种是通过软件程序的方法防止抖动。在本设计中采用的是后者。

4 结 语

设计完成的多功能心电信号发生器，从理论和实际两个方面，研究了PWM原理生成任意波形，通过测试，输出波形完整且稳定。能够输出标准的心电图信号，同时还能输出步进1 Hz，频率范围10 Hz～1 kHz的正弦波、三角波、锯齿波、反锯齿波和方波等信号。整个系统高度集成，随身携带，显示界面清晰[8]，按键部分和电源部分操作简单，可满足各种心电图机校准和医学院校教学示范要求。

参考文献

[1] 袁雪尧.基于TMS320F2812可调参数心电信号发生器的设计方案[J].军事通信技术，2010（5）：1?2.

[2] 靳学明，谭剑美.基于DDS的通用雷达波形产生器的实现和性能[J].雷达科学与技术，2004（2）：124?131.

[3] 冯小平.基于DDS技术的雷达波形发生器的研究[D].西安：西安电子科技大学，2004.

[4] 王征.遥控遥测数字调制解调的软件化设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2001.

[5] 张成伟.宽带高速新型ECM干扰源[J].电子对抗技术，2002（6）：71?82.

[6] 王群.复杂雷达信号波形设计与仿真[D].西安：西安电子科技大学，2004.

[7] LPCXpresso. Getting started with NXP LPCXpresso V11 [M].

[S.l.]： LPCXpresso， 2012.

[8] 程凡，魏义祥.多功能心电信号发生器研制[J].中国医疗器械杂志，2000（6）：209?211.

3.2 PWM程序控制

在程序设计中，为了让PWM信号的占空比按照采样波形变化，当匹配寄存器MR0发生匹配时，产生中断，进入PWM中断处理子程序，在子程序中，设置匹配寄存器MR1～MR6的数值，分别按照采样的数据进行配置，最后就能输出占空比按波形变化的PWM信号。

3.3 按键程序设计

按键的功能主要是通过改变PWM信号的周期来控制输出信号的频率。在设计按键程序时，不能忽略按键时的抖动。总的来说去抖动有两种办法：一种是通过硬件电路的方法防止抖动；还有一种是通过软件程序的方法防止抖动。在本设计中采用的是后者。

4 结 语

设计完成的多功能心电信号发生器，从理论和实际两个方面，研究了PWM原理生成任意波形，通过测试，输出波形完整且稳定。能够输出标准的心电图信号，同时还能输出步进1 Hz，频率范围10 Hz～1 kHz的正弦波、三角波、锯齿波、反锯齿波和方波等信号。整个系统高度集成，随身携带，显示界面清晰[8]，按键部分和电源部分操作简单，可满足各种心电图机校准和医学院校教学示范要求。

参考文献

[1] 袁雪尧.基于TMS320F2812可调参数心电信号发生器的设计方案[J].军事通信技术，2010（5）：1?2.

[2] 靳学明，谭剑美.基于DDS的通用雷达波形产生器的实现和性能[J].雷达科学与技术，2004（2）：124?131.

[3] 冯小平.基于DDS技术的雷达波形发生器的研究[D].西安：西安电子科技大学，2004.

[4] 王征.遥控遥测数字调制解调的软件化设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2001.

[5] 张成伟.宽带高速新型ECM干扰源[J].电子对抗技术，2002（6）：71?82.

[6] 王群.复杂雷达信号波形设计与仿真[D].西安：西安电子科技大学，2004.

[7] LPCXpresso. Getting started with NXP LPCXpresso V11 [M].

[S.l.]： LPCXpresso， 2012.

[8] 程凡，魏义祥.多功能心电信号发生器研制[J].中国医疗器械杂志，2000（6）：209?211.

3.2 PWM程序控制

在程序设计中，为了让PWM信号的占空比按照采样波形变化，当匹配寄存器MR0发生匹配时，产生中断，进入PWM中断处理子程序，在子程序中，设置匹配寄存器MR1～MR6的数值，分别按照采样的数据进行配置，最后就能输出占空比按波形变化的PWM信号。

3.3 按键程序设计

按键的功能主要是通过改变PWM信号的周期来控制输出信号的频率。在设计按键程序时，不能忽略按键时的抖动。总的来说去抖动有两种办法：一种是通过硬件电路的方法防止抖动；还有一种是通过软件程序的方法防止抖动。在本设计中采用的是后者。

4 结 语

设计完成的多功能心电信号发生器，从理论和实际两个方面，研究了PWM原理生成任意波形，通过测试，输出波形完整且稳定。能够输出标准的心电图信号，同时还能输出步进1 Hz，频率范围10 Hz～1 kHz的正弦波、三角波、锯齿波、反锯齿波和方波等信号。整个系统高度集成，随身携带，显示界面清晰[8]，按键部分和电源部分操作简单，可满足各种心电图机校准和医学院校教学示范要求。

参考文献

[1] 袁雪尧.基于TMS320F2812可调参数心电信号发生器的设计方案[J].军事通信技术，2010（5）：1?2.

[2] 靳学明，谭剑美.基于DDS的通用雷达波形产生器的实现和性能[J].雷达科学与技术，2004（2）：124?131.

[3] 冯小平.基于DDS技术的雷达波形发生器的研究[D].西安：西安电子科技大学，2004.

[4] 王征.遥控遥测数字调制解调的软件化设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2001.

[5] 张成伟.宽带高速新型ECM干扰源[J].电子对抗技术，2002（6）：71?82.

[6] 王群.复杂雷达信号波形设计与仿真[D].西安：西安电子科技大学，2004.

[7] LPCXpresso. Getting started with NXP LPCXpresso V11 [M].

[S.l.]： LPCXpresso， 2012.

[8] 程凡，魏义祥.多功能心电信号发生器研制[J].中国医疗器械杂志，2000（6）：209?211.