使用LPC1700的IEC 60601-1-8音頻警報發(fā)生器
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IEC（國際電工委員會(huì )）提供了第一個(gè)關(guān)于醫療設備音頻和視頻報警的重點(diǎn)標準，即IEC60601-1-8。通過(guò)將重點(diǎn)聚焦于資料的音頻警告部分，IEC60601-1-8標準要求，必須使特定的旋律對應于特定的生理機能。這樣就能保證報警的數量是有限的，而不會(huì )在不同的制造商之間隨意變化。它也將報警的數量限制在8個(gè)，并使用了每一個(gè)的告誡和緊急形式。緊急（高級優(yōu)先權）形式使用重復的五音符旋律。告誡（中等優(yōu)先權）報警使用高級優(yōu)先權形式的前三個(gè)音符，但不重復。將察覺(jué)的緊急程度設計到聲音中的某些原理已經(jīng)被應用到這些信號中；例如，中等優(yōu)先權音調比高級優(yōu)先權音調更緩慢的上升和下降時(shí)間，以及用于高級優(yōu)先權報警的比較快的節拍。標準中也提供了一種任選的低級優(yōu)先權報警音調；該聲音只有兩個(gè)音符。
IEC60601-1-8音頻報警標準提供了富有和聲的音調，以便使它們容易定位、并能防止屏蔽的干擾。范疇與對應旋律的數量都有限，從而能獲得容易掌握的不同報警順序。另外，報警的優(yōu)先權決定了報警中音符的數量，以及音符順序的動(dòng)態(tài)特征。這使得人們容易確定報警的緊急程度。這樣，IEC60601-1-8標準解決了許多以前報警的限制因素，而且將有助于改善患者的安全性。
以算法形式生成IEC60601-1-8報警
當前許多的IEC60601-1-8實(shí)施方案都是回放儲存在存儲器中的錄音形式的報警。其缺點(diǎn)是，它需要占用大量的存儲器空間來(lái)儲存文件，以及程序空間來(lái)控制回放。與之相比，以算法形式生成報警在存儲器利用方面是一種非常有效的方法，而且允許有相當大的靈活性，能夠在滿(mǎn)足IEC60601-1-8技術(shù)規格的同時(shí)對音符進(jìn)行自定義。
芯片上要求的功能資源
為了在芯片上合成報警音調，需要在固件中實(shí)施下列功能：
定時(shí)信號發(fā)生器－這提供定時(shí)基準，以便以數字形式構建報警音調，從而有效地設定內部樣品速率和DAC輸出速率。這還提供用于音符定序器和包絡(luò )發(fā)生器的時(shí)間基準。
包絡(luò )發(fā)生器－這控制音符脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間和振幅。音符的上升和下降時(shí)間也是報警優(yōu)先權的函數。
音符定序器－基于報警的類(lèi)型和優(yōu)先權等級，以正確的節拍按順序通過(guò)正確的音符。
音符發(fā)生器－這生成組合起來(lái)形成基本音符與諧波的多重正弦波音調；由這些基本音符和諧波構成警告音符。
關(guān)于演示模式，通過(guò)UART1和終端程序提供一個(gè)菜單驅動(dòng)的用戶(hù)接口。這包括不同的菜單、一個(gè)串行端口驅動(dòng)程序、和一個(gè)簡(jiǎn)單的命令處理程序。
定時(shí)信號發(fā)生器
它利用芯片上的定時(shí)器來(lái)設定用于算法音調發(fā)生器的采樣速率/DAC輸出速率。針對25 ksps的DAC輸出速率，定時(shí)器被設置為每隔40μs生成一個(gè)中斷。這被選擇為處于音頻范圍上方，而且遠高于Nyquist（尼奎斯特）頻率，以允許在DAC上采用低成本的濾波器。中斷服務(wù)程序中的軟件計時(shí)器也提供1 ms的超時(shí)。如下文所述，它被用于包絡(luò )控制功能和音符定序器。
包絡(luò )發(fā)生器
包絡(luò )發(fā)生器控制正在生成的音調的動(dòng)態(tài)音量。由于IEC技術(shù)規格包括音調的上升和下降時(shí)間，所以生成一個(gè)基于時(shí)間的變量。當音符打開(kāi)時(shí)，包絡(luò )變量的值以受控的速率從0增大到最大設定水平。當音符關(guān)閉時(shí)，這也會(huì )同樣發(fā)生；音量將以受控的速率減小，直到它達到0為止。上升和下降時(shí)間是可以編程的；而且，與高級優(yōu)先權音調相比，中等和低級優(yōu)先權音調具有較慢的上升/下降時(shí)間。包絡(luò )發(fā)生器使用1 ms超時(shí)作為其定時(shí)基準。
音符定序器
作為報警之分類(lèi)和優(yōu)先權的函數，IEC 60601-1-8標準規定了相對音符順序和音調的瞬時(shí)特征。音符定序器輸出具有正確持續時(shí)間和間隔的音調，以滿(mǎn)足給定優(yōu)先權的報警的瞬時(shí)特征。對于高級優(yōu)先權報警，其順序被規定為一種5音符順序；它重復一次，所以總共有10個(gè)音符。中等優(yōu)先權報警是一種3音符順序，但不重復。關(guān)于給定報警類(lèi)型的三音符順序與同類(lèi)高級優(yōu)先權順序的前三個(gè)音符相同，以便更加容易地掌握報警。高級優(yōu)先權報警的節拍快于中等優(yōu)先權報警。不同數量的音符和節拍差異能夠容易地區分報警的優(yōu)先權。
音符發(fā)生器
為了容易地符合標準，基本音符和4個(gè)諧波將作為單獨的正弦波而生成，然后由數字方式組合起來(lái)。在芯片上生成正弦波的方法有很多種：包括正弦表查找、數學(xué)庫算法、泰勒級數展開(kāi)和遞歸振蕩器。遞歸振蕩器是一種具有合適系數的IIR濾波器結構，一旦正確地初始化，就能實(shí)現振蕩。由于這是比較有效的方法之一，而且具有非常低的失真，因此遞歸振蕩器將被用于生成每個(gè)音符所需要的基本音符和4個(gè)諧波。
圖1 雙抽頭IIR濾波器
Goertzel算法
最有用的遞歸方法之一是Goertzel算法；圖1顯示了一種簡(jiǎn)單的雙抽頭IIR濾波器。這是非常有用的算法，除了作為正弦波發(fā)生器以外，它還能被用作窄帶音調探測器。通過(guò)分析作為振蕩器的算法，隨著(zhù)以固定的跨度增大角度，我們想要能夠計算該角度的正弦值。假設能夠從正弦級數中的兩個(gè)以前的增量值來(lái)計算角度的正弦值，那么針對圖1，就能寫(xiě)出公式（1）：
（1）在公式（1）中，x和y是IIR濾波器的系數，“a”是起始角，而“b”是增量角。為了找出兩個(gè)系數的值，重新整理并簡(jiǎn)化公式1，如公式2所示。
（2）通過(guò)代入下列三角恒等式，繼續擴展公式2：
（3）我們得出：
重新整理：
（5）為了確保此式對于所有n都成立，必須讓括號中的兩個(gè)表達式滿(mǎn)足：
（6）當求解時(shí)，這就能得出用于遞歸IIR濾波器的系數：
（7）將它代回到原始公式中，得出：
（8）重新整理：
（9）代入樣品值Y［n］＝sin（a＋nb），得出：
（10）由于系數之一等于-1，所以在每個(gè)步距角增量處的計算就只需要涉及兩個(gè)以前計算結果的一個(gè)乘法和一個(gè)減法（假設系數已事先計算出來(lái)）。在運行了上面的公式后，y［-1］值被移入到y［-2］變量中，并且將計算出的y［n］值移入到y［-1］變量中，以準備在下一個(gè)步距角處的計算。這促進(jìn)了Cortex-M3非常有效的運行。
Goertzel初始化
為了讓Goertzel能夠作為振蕩器發(fā)揮作用，y［-1］和y［-2］值必須要進(jìn)行初始化。如果我們設y［-1］＝0，那么y［-2］應該具有在零交叉之前的一個(gè)增量正弦值的值，或者：
（11）系數也必須在下面的公式12中計算。
為了將Goertzel算法作為音調探測器使用，y［-1］和y［-2］二者都應該被初始化到“0”。然后，輸入應該加入到計算中。在特定數量的樣品之后，輸入在探測頻率處的振幅就能夠從下列公式來(lái)計算：
存在關(guān)于此式的優(yōu)化形式，以簡(jiǎn)化數學(xué)運算，但這里只是為了解釋原理。為了將它用作連續的音調探測器，在執行了此計算之后，y［-1］和y［-2］應該再次設定為零，然后進(jìn)行下一個(gè)采集和探測順序。
代碼實(shí)施－音頻報警合成
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