心電圖機USB借口的熱敏打印控制系統

摘 要：詳細介紹基于USB接口的心電圖機的熱敏打印控制系統，系統采用ARM作為控制芯片，使用USB接口進(jìn)行數據通信。熱敏打印機噪聲低、速度快、可靠性高、打印字符清晰。文中對熱敏打印所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)作了詳細說(shuō)明，并對軟件設計作了介紹。
關(guān)鍵詞：ARM USB接口 心電圖 熱敏打印機

心電圖機是描記心臟組織活動(dòng)所產(chǎn)生的生物電信號以及現代醫學(xué)科學(xué)研究和l臨床診斷中使用非常廣泛的一種精密電子醫療儀器。由于它診斷可靠，操作簡(jiǎn)便，對病人無(wú)損傷，故在臨床上得到廣泛的應用，而作為心電圖檢測結果直觀(guān)的輸出方式和手段，心電圖機微型打印機是必不可少的。

目前，醫院中使用的多為傳統機械式心電打印機，存在著(zhù)打印效率低、噪聲污染嚴重、心電波形失真等缺點(diǎn)。近年來(lái)uSB技術(shù)有了飛速的發(fā)展，很多臺式打印機已經(jīng)應用了該技術(shù)。但是采用USB接口技術(shù)的心電圖機熱敏打印機卻很少。本系統就采用了USB接口與心電圖機相連，同時(shí)也可以與PC心電圖機進(jìn)行連接打印。

1 心電圖熱敏打印機的硬件設計
1.1 系統的總體結構
硬件系統由控制器、走紙電機、uSB接口、熱敏打印頭及其檢測和保護電路等組成，組成框圖如圖1所示。

1.2 ARM控制器的選擇
由于本系統要求打印最高速度達50 mm／s，所以對于處理器給打印頭傳送數據的速度就要求很高。一般熱敏打印頭數據通過(guò)串行傳送，所以通過(guò)SPI口傳送是最佳方式，而普通8位單片機在處理速度上就有缺陷，難以滿(mǎn)足整體要求，因此決定選用Atlnel公司的ARM7內核芯片AT91SAM7S64作為控制器。該芯片具有64 KB的片內高速Flash存儲器，16 KB的片內高速SRAM(可以在最高時(shí)鐘速度下進(jìn)行單時(shí)鐘周期訪(fǎng)問(wèn)操作)；1個(gè)USB 2．O全速(12 Mbps)設備端口，片上收發(fā)器，328字節可編程的FIFO；主／從串行外設接口(SPI)，8～16位可編程的數據長(cháng)度，4個(gè)片選線(xiàn)。本設計將用USB口與臺式或PC心電圖機通信，SPI口控制打印頭，同時(shí)具有大容量的數據存儲及高速數據處理能力。所以無(wú)論從集成度，還是性?xún)r(jià)比來(lái)看，都是理想的選擇。

1.3 熱敏打印頭的選擇及控制
熱敏打印技術(shù)最早使用在傳真機上，其基本原理是將打印機接收的數據轉換成點(diǎn)陣信號控制熱敏單元的加熱．把熱敏紙上熱敏涂層顯影。這種技術(shù)只能使用專(zhuān)用的熱敏紙。熱敏紙上涂有一層遇熱就會(huì )產(chǎn)生化學(xué)反應而變色的涂層，類(lèi)似于感光膠片，不過(guò)該涂層是遇熱后變色顯影。利用熱敏涂層的這種特性，研究出了熱敏打印技術(shù)。熱敏打印技術(shù)的關(guān)鍵在于加熱元件。熱敏打印機芯上有一排微小的半導體元件。這些元件排得很密，從290dpi～600dpi不等。這些元件在通過(guò)一定電流時(shí)會(huì )很快產(chǎn)生高溫，當熱敏紙的涂層遇到這些元件時(shí)，在極短的時(shí)間內溫度會(huì )升高，涂層就會(huì )發(fā)生化學(xué)反應，顯出顏色。

熱敏打印機接收到打印數據后，將打印數據轉換為位圖數據，然后按照位圖數據的點(diǎn)控制打印機芯上的發(fā)熱元件通過(guò)電流，這樣就把打印數據變成打印紙上的打印內容了。

由于本設計要求最多能同時(shí)打印12導聯(lián)的心電波形，所以對打印頭的寬度和分辨率要求很高。經(jīng)過(guò)認真的性能比較，選用了C216型行式打印頭，其打印寬度可達216 mm，即1728點(diǎn)／行。熱敏打印頭的電路連接如圖2所示。

C216打印頭各信號線(xiàn)加2．2 kΩ上拉電阻，數據通過(guò)ARM的SPI口串行輸入；SPCK連接ARM芯片SPI口串行時(shí)鐘引腳，ARM最多有4個(gè)SPI外設片選信號腳，P_LATCHCSl連接其中的NPCSl腳，由于打印機只需單向接收數據，所以只連接MOSI腳。THERMISTOR接打印頭內置熱敏電阻，外加電路來(lái)檢測打印頭的溫度，從而可對打印頭作相應的保護。打印頭工作需要24 V直流電壓。由于每行1728點(diǎn)，且電源電流有限，所以必須進(jìn)行打印頭的加熱功率控制。C216有4個(gè)加熱選通信號(STR()BEl～4)，即1728個(gè)點(diǎn)可以分4次加熱，每次最多448個(gè)點(diǎn)。根據打印頭參數，如每個(gè)加熱點(diǎn)電阻為R=700 Ω時(shí)，消耗功率為31．0 mA／點(diǎn)；若所有點(diǎn)都加熱時(shí)需電流1728點(diǎn)31．O mA／點(diǎn)=53 568 mA。所以設計中要根據實(shí)際加熱點(diǎn)數通過(guò)軟件進(jìn)行一定的時(shí)序控制。

1.4 USB接口電路
AT9lSAM7S64芯片具有一個(gè)USB 2．O全速(12Mbps)設備端口，片上收發(fā)器，328字節可編程的F。IFO。這就給設計帶來(lái)很大的便捷性，也是采用本款ARM芯片較其他控制芯片的獨特優(yōu)勢之一。其外接電路如圖3所示。

AT9ISAM7S64的USB物理收發(fā)器集成在芯片中，USB器件有一條與高級中斷控制器(AIC)連接的中斷線(xiàn)．處理USB器件中斷須在配置UDP前對AIC編程，可自動(dòng)檢測掛起與恢復，通過(guò)出現中斷來(lái)停止處理器。雙向差分信號DP與DM對于產(chǎn)品邊界有效，應用中會(huì )用到兩條I／O線(xiàn)：一條檢查來(lái)自主機的VBUS是否仍然有效的USB_DET引腳，使用該入口通知自供電器件主機斷電(此時(shí)，禁用板上上拉DP，以防止電流流入主機)；另一條用來(lái)控制板上上拉DP即USB_DP_PUP引腳，當器件準備與主機通信時(shí)，通過(guò)該控制線(xiàn)激活其DP上拉。

NRST引腳來(lái)自芯片的復位信號，AT9lSAM7S64的基于上電復位單元的復位控制器(RSTC)可以處理系統的所有復位，而無(wú)需其他器件，它可以給出上一次復位源的信息。復位控制器可獨立地或同時(shí)驅動(dòng)外部復位和外設及處理器復位，其掉電檢測功能可防止處理器進(jìn)入不可預測的狀態(tài)。

USB器件外設需要48 MHz時(shí)鐘。該時(shí)鐘由精度為士O．25％的PLL產(chǎn)生。因此，USB器件收到來(lái)自電源管理控制器(PMC)的兩個(gè)時(shí)鐘：主機時(shí)鐘MCK，用來(lái)驅動(dòng)外設用戶(hù)接口；UDPCK用來(lái)與總線(xiàn)USB信號連接。

1．5 走紙電路設計
打印機走紙控制采用雙極斬波驅動(dòng)的步進(jìn)電機來(lái)實(shí)現。本設計采用Allego公司的專(zhuān)用雙全橋PWM步進(jìn)電機驅動(dòng)器A2919SLB來(lái)驅動(dòng)電機，如圖4所示。驅動(dòng)器輸出雙路可直接驅動(dòng)步進(jìn)電機，PHASEl和PHASE2分別由．ARM控制器輸出相應脈沖來(lái)控制輸出脈沖頻率，從而得到理想的速度。走紙電機驅動(dòng)電路如圖4所示。

A2919SLB驅動(dòng)電機工作電壓為+24 V，芯片參考供電電壓為VOC，驅動(dòng)芯片的電機驅動(dòng)電流取決于參考電壓VREF和參考電阻Rs，以及Io和fI高低電平的組合，其計算方法如表1所列。

該芯片的控制簡(jiǎn)單方便，實(shí)際應用中可以根據需要調節輸出高低電平搭配，以達到細分的效果。本設計采用了全角控制，VREF采用+5 V直流電壓，Rs取0．5 n的高精度電阻，I0和Il采用第2種電平組合方式，輸出電流為67％，ITRlP，完全可以滿(mǎn)足設計需要。

1.6 打印頭保護和頭溫度測量電路
對打印頭的保護是打印機控制系統好壞的重要標志。由于行式熱敏打印機對發(fā)熱元件的加熱時(shí)間都是ms級的，如果對發(fā)熱元件連續加熱超過(guò)l s，將會(huì )燒壞打印頭，因此對打印頭的保護必須及時(shí)、可靠。從行式打印頭電路連接圖可以看出，要使發(fā)熱元件加熱，除寄存器中數據點(diǎn)為高外，還必須將頭電壓VH一24V供電電源打開(kāi)。只要任一條件不滿(mǎn)足，就不可能給打印頭加熱，也就不會(huì )燒壞打印頭．所以對打印頭電壓設計了一個(gè)電源保護電路。

如果打印過(guò)程中打印頭過(guò)熱，就必須停止打印，否則會(huì )燒壞打印頭。打印頭內置熱敏電阻由THERMIST()R連接到外部檢測電路，經(jīng)過(guò)LM339M比較器，一旦溫度超過(guò)極限溫度，就通過(guò)OVER_HOT腳發(fā)出低電平給主控芯片．從而可以及時(shí)采取相應的保護措施，如圖5所示。

打印過(guò)程中如果出現缺紙和開(kāi)蓋的情況，同樣需要停止打印，否則會(huì )出現不可預測的結果。J4連接光敏對檢測缺紙電路，J8連接一個(gè)開(kāi)關(guān)電路。當缺紙和開(kāi)蓋狀況出現時(shí)，電路將立即通過(guò)PAPER_SHORT腳和COVER_OPEN腳向ARM控制器發(fā)出低電平信號，控制器則立即停止打印頭和電機，停止任何打印操作，以免損壞打印頭。

2 心電圖熱敏打印機的軟件設計
軟件的主要功能是接收來(lái)自主機(心電圖機)通過(guò)USB口發(fā)來(lái)的數據，然后判斷數據的內容，根據指定的通信協(xié)議進(jìn)行處理。數據包括三種情況：控制命令、心電圖數據和字符。對于心電圖數據，首先要判斷是幾導打印(本設計中分為同時(shí)打印1、3、6和12導四種情況)，然后將接收到的數據映射成點(diǎn)，通過(guò)SPI口，以串行方式送至打印頭的緩沖區進(jìn)行打??；如果有字符，則從外擴的DATAFLASH中取出各字符的字形碼，并進(jìn)行轉換．然后送往打印頭的緩沖區進(jìn)行打??；如果數據是控制命令，則轉到相應控制命令的執行程序。

在對打印頭傳送數據時(shí)，使用了ARM控制器的SPI口，因ARM只需向打印頭單向傳送數據，僅是主從式工作方式，所以只要通過(guò)3根線(xiàn)――時(shí)鐘線(xiàn)(SPKCLK)、數據輸出線(xiàn)(SPIMOSI)、片選線(xiàn)(CS)進(jìn)行通信，內部通過(guò)SPIDAT寄存器完成轉換。打印機有3種打印速度可供用戶(hù)選用：50 mm／s、25 mm／s和12．5 mm／s。當采用最高的50 mm／s速度打印時(shí)，必須保證電機走紙內打印頭數據已經(jīng)傳送到打印頭。普通8位單片機此時(shí)就不能滿(mǎn)足要求，這就是本設計采用ARM的原因之一。圖6是打印頭的加熱控制時(shí)序圖。

軟件設計中的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是將打印數據映射成點(diǎn)，再打印到紙上。映射的點(diǎn)必須和打印紙上的點(diǎn)一一對應，所以合理分配每導在打印紙上的空間就十分重要，既要分配充分，又不能相互重疊。打印紙的寬度是216ms，與1728個(gè)點(diǎn)相對應，12導可以成行排列同時(shí)打印。

圖7是標準心電波形圖

由圖7可以看出，心電波形圖絕大部分都在基線(xiàn)的一邊，故相鄰的導聯(lián)波形在一側可以共用部分空間，而不至于導聯(lián)波形重疊。程序框圖和程序在此省略。

結語(yǔ)
本設計充分利用了ARM芯片AT91sAM7S64的資源，完成了采用USB借口技術(shù)的熱敏打印機的開(kāi)發(fā)，并對打印機頭作了充分的保護。通過(guò)采用響應的算法實(shí)現了心電圖的高達12導聯(lián)的多導同時(shí)打印，在實(shí)際應用中效果良好。