心電模擬波形發(fā)生系統的設計
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隨著(zhù)現在社會(huì )的發(fā)展，人們也日益開(kāi)始關(guān)注健康事業(yè)的發(fā)展，對醫學(xué)技術(shù)的要求也越來(lái)越高?，F實(shí)中很多病例無(wú)法通過(guò)現實(shí)病例學(xué)習，更多的醫生培養只能通過(guò)模擬設備進(jìn)行，心電波形模擬波形發(fā)生系統的設計就是其中一個(gè)例子。
心電模擬發(fā)生系統使用4種不同頻率的標準心電波形及用于測試的方波、鋸齒波、三角波和正弦波，通過(guò)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(shí)子程序來(lái)實(shí)現。提取醫院病人的異常心電波形，通過(guò)擬合的方法可以模擬和轉換除顫后的正常波形，依據此方法設計出一個(gè)心電信號發(fā)生系統，系統可以采集、模擬任意導聯(lián)心電信號，并將結果存儲到心電數據庫供研究分析使用。最后設計出一種用微控制器和波形輸出以及鍵盤(pán)轉換電路構成的心電模擬波形發(fā)生器。
該系統是根據標準心電圖的有關(guān)原理，利用數字技術(shù)和軟件仿真相結合的原理研制而成的，嚴格按照醫學(xué)的相關(guān)規定，產(chǎn)生的模擬心電波形完全滿(mǎn)足醫學(xué)教學(xué)的目的，在各種病人異常心電圖的關(guān)鍵點(diǎn)處達到幾乎逼真的效果。當系統接收到高壓除顫信號以后，根據系統的預設置，將異常心電波形轉換成正常的心電波形，這就模擬了一次正常的高壓除顫過(guò)程。該系統可以用于醫療培訓機構，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(chǎng)前景。
1 系統設計
心電模擬波形系統主要以ARM9處理單元為核心，另外還有高壓除顫采集電路、D／A轉換模塊、波形輸出電路、鍵盤(pán)接口電路與監護儀信號匹配以及應用程序的設計等幾個(gè)部分。
ARM微處理器是一種高性能、低功耗的32位微處器，它被廣泛應用于嵌入式系統中。ARM9代表了ARM公司主流的處理器，已經(jīng)在手持電話(huà)、機頂盒、數碼像機、GPS、個(gè)人數字助理以及因特網(wǎng)設備等方面有了廣泛的應用。
本系統采用的ARM9嵌入式開(kāi)發(fā)平臺，主要利用ARM9豐富的I／O資源和快速處理的強大功能。ARM9處理器的主要結構及其特點(diǎn)如下：
(1)32 b定點(diǎn)RISC處理器，改進(jìn)型ARM／Thumb代碼交織，增強性乘法器設計。支持實(shí)時(shí)(real-time)調試。
(2)片內指令和數據SRAM，而且指令和數據的存儲器容量可調。
(3)片內指令和數據高速緩沖器(cache)容量從4 KB～1 MB。
(4)設置保護單元(protcction unit)，非常適合嵌入式應用中對存儲器進(jìn)行分段和保護。
(5)采用AMBA AHB總線(xiàn)接口，為外設提供統一的地址和數據總線(xiàn)。
(6)支持外部協(xié)處理器，指令和數據總線(xiàn)有簡(jiǎn)單的握手信令支持。
(7)支持標準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(shí)時(shí)跟蹤指令和數據。
新一代的ARM9處理器通過(guò)全新的設計，采用更多的晶體管，能夠達到高于A(yíng)RM7處理器兩倍以上的處理能力。這種處理能力的提高是通過(guò)增加時(shí)鐘頻率和減少指令執行周期實(shí)現的。
2 硬件電路和原理
該部分主要分為ARM9硬件平臺、D／A轉換、波形輸出電路、信號的采集以及右腳驅動(dòng)電路的共模負反饋電路。系統在A(yíng)RM9處理單元的控制下，D／A轉換電路把波形數據轉換為模擬量進(jìn)行輸出。當接收到高壓除顫信號后，處理器就會(huì )把異常心電波形采集轉換成為正常的心電波形圖。
系統硬件連接圖如圖1所示。
2．1 D／A轉換原理
心電模擬信號就必須通過(guò)采樣量化為數字量并將其存儲在數據存儲器內，供軟件進(jìn)行分析使用。這個(gè)過(guò)程必須通過(guò)AD轉換器來(lái)實(shí)現。有數字量轉化為模擬量的D／A轉換模式：
(1)采用D／A轉換芯片；
(2)采用PWM方式，即脈寬調制；
(3)采用f-v方式，即頻率電壓轉換。
通過(guò)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換方式已經(jīng)具備足夠的數模轉換精度，頻率轉換指標也滿(mǎn)足要求，而且該方式所用硬件少，一般都是用軟件來(lái)實(shí)現的。
該部分是系統的核心，為了實(shí)現數字系統對這些電模擬量進(jìn)行檢測、運算和控制，需要一個(gè)模擬量與數字量之間的相互轉換的過(guò)程，即常常需要將數字量轉換成模擬量，簡(jiǎn)稱(chēng)D／A轉換，完成這種轉換的電路為數模轉換器(Digital to Analog Converter，DAC)。
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