第五章数字化医疗仪器应用实例

1、数字化医疗仪器数字化医疗仪器 第五章第五章 数字化数字化医学仪器应用实例医学仪器应用实例本章内容本章内容n传感采集接口的设计传感采集接口的设计nCF型数字式单道心电图机（型数字式单道心电图机（ECG-6951D）n智能携带式动态心电监护仪智能携带式动态心电监护仪(Holter)n病房监护技术病房监护技术n监护仪使用中的安全问题监护仪使用中的安全问题5.1 5.1 传感采集接口的设计传感采集接口的设计 5.1.1 5.1.1 数据传感采集接口概述数据传感采集接口概述传感器传感器信号检测预处理/D转换并行接口微处理机人体的各种物理量人体的各种物理量（生物电位，心音（生物电位，心音，体温，血压等），

2、体温，血压等）需经传感需经传感器将其变器将其变成电信号成电信号经由诸如放大，滤波，干经由诸如放大，滤波，干扰抑制，多路转换等信号扰抑制，多路转换等信号检测及预处理电路检测及预处理电路将模拟量的电将模拟量的电压或电流送压或电流送 A/D 转换，变转换，变成数字量，供成数字量，供计算机处理。计算机处理。5.1.2 5.1.2 信号源与数据采集电路间的接口电路信号源与数据采集电路间的接口电路前置预处理接口电路应该具有很前置预处理接口电路应该具有很高的输入阻抗高的输入阻抗和和共模抑制比共模抑制比，其，其输入级输入级应有必要的应有必要的保护及隔离措施；保护及隔离措施；为适应不同生理信号幅度和输出的幅度范

3、围，应有为适应不同生理信号幅度和输出的幅度范围，应有足够的增益足够的增益，电路既要电路既要滤除各种干扰滤除各种干扰，又要，又要频带合适频带合适，以便得到信号检出时的，以便得到信号检出时的最大保真度；最大保真度；为与数据采集电路适配，输出端为与数据采集电路适配，输出端输出阻抗要低输出阻抗要低，幅度的动态范围幅度的动态范围、模拟信号的极性模拟信号的极性、状态信号的电平状态信号的电平等等都必须等等都必须符合配接的规定符合配接的规定。有的还应有有的还应有相应的校准电路相应的校准电路(如血压定标电路如血压定标电路)。v下面只就仪器中应用较多的下面只就仪器中应用较多的生物电放大器生物电放大器和和光电隔离电

4、路光电隔离电路做些介绍。做些介绍。信号源与数据采集电路间的接口电路信号源与数据采集电路间的接口电路 一、心电信号放大器一、心电信号放大器 为了给为了给AD转换提供一个低噪声、高灵敏转换提供一个低噪声、高灵敏度和幅度足够大的度和幅度足够大的ECG信号电压。信号电压。 输输入入保保护护及及屏屏蔽蔽电电路路心心电电信信号号前前置置放放大大器器+光光电电隔隔离离电电路路主主放放大大电电路路+灵灵敏敏度度调调节节和和50Hz陷陷波波电电路路抗抗干干扰扰滤滤波波电电路路+外外接接输输出出电电路路+限限幅幅比比较较器器闭闭锁锁电电路路无无效效信信号号检检测测电电路路+等等心电信号前置放大器心电信号前置放大器

5、 心电图机用于测量心电图机用于测量体表心电图体表心电图需要的需要的频响为频响为0.05 100Hz。 因为骨骼肌信号在这范围内也比较大，因为骨骼肌信号在这范围内也比较大， 所以所以在心电图内产生躯体的伪迹。在心电图内产生躯体的伪迹。 在诊断场合要求患者在几分钟内不动是办不在诊断场合要求患者在几分钟内不动是办不到的，对长期受监护的病人则更难办到，到的，对长期受监护的病人则更难办到，病人的病人的肌电干扰就不可避免。肌电干扰就不可避免。在监护时，往往把高频端限制在在监护时，往往把高频端限制在45 75Hz。在。在心电图机心电图机中采用中采用25Hz或或35Hz肌电滤波器。肌电滤波器。 心电信号前置放

6、大器图心电信号前置放大器图心电信号前置放大器心电信号前置放大器1、诊断用、诊断用0.05Hz；2、但对监护仪来说，呼吸，电极偏置电位的变化，环境温度的变化及、但对监护仪来说，呼吸，电极偏置电位的变化，环境温度的变化及身体移动都会引起基线漂移，因而身体移动都会引起基线漂移，因而监护仪监护仪的低端频率为的低端频率为0.1 0.5Hz。心电图机采用心电图机采用0.1Hz去漂移滤波器去漂移滤波器。前置放大器的增益前置放大器的增益一般在一般在100以下以下。为使心电信号推动记录机构，需要主。为使心电信号推动记录机构，需要主放大器将心电信号进一步放大。放大器将心电信号进一步放大。前置放大器和主放大器之间可

7、通过前置放大器和主放大器之间可通过RC耦合耦合，它决定了心电图机的低频响，它决定了心电图机的低频响应，低端频响常以应，低端频响常以RC乘积（即乘积（即时间常数时间常数来表示），如来表示），如1.6秒，秒，3.2秒秒。 心电图心电图具有很低的频率成分：具有很低的频率成分：心电图机电极和皮肤接触时，有些电极可以产生心电图机电极和皮肤接触时，有些电极可以产生几百几百mV的的极化电位极化电位前置放大器的放大倍数不宜太大，以避免造成电路前置放大器的放大倍数不宜太大，以避免造成电路饱和饱和 ：心电信号前置放大器心电信号前置放大器v心电图机电极和皮肤接触时的接触电阻不平衡降心电图机电极和皮肤接触时的接触电阻

8、不平衡降低抗干扰能力，故在每根导联线与缓冲放大器之低抗干扰能力，故在每根导联线与缓冲放大器之间都接有间都接有10k电阻电阻以以减少接触电阻不平衡减少接触电阻不平衡的影响。的影响。v三运放前置放大器三运放前置放大器:v心电图机常采用三运放组成的仪用放大器，如下心电图机常采用三运放组成的仪用放大器，如下页图所示。差分放大电路对经过导联选择电路选页图所示。差分放大电路对经过导联选择电路选择的心电信号进行放大。择的心电信号进行放大。v差分电路差分电路的特点是抑制因静电或磁感应而引入的的特点是抑制因静电或磁感应而引入的50Hz交流共模干扰信号交流共模干扰信号，使所需要的心电图信号，使所需要的心电图信号得

9、到放大，其得到放大，其放大倍数约放大倍数约为为20倍倍。v进一步去除进一步去除50Hz干扰还装有干扰还装有50Hz滤波电路滤波电路。 三运放前置放大器图三运放前置放大器图心电信号前置放大器心电信号前置放大器抗共模干扰电路抗共模干扰电路 共模干扰就是同时叠加在两条被测信号线上共模干扰就是同时叠加在两条被测信号线上的外界干扰信号，因屏蔽引线的分布电容不完全的外界干扰信号，因屏蔽引线的分布电容不完全相等而引起。相等而引起。抑制共模干扰的抑制共模干扰的措施措施：（1）利用）利用双端输入的运放双端输入的运放作为前置放大器，抑制作为前置放大器，抑制共模干扰。共模干扰。（2）利用）利用隔离放大器隔离放大器，

10、变压器或光电耦合器将信，变压器或光电耦合器将信号源和仪器隔离，使两个地之间没有直接的导通号源和仪器隔离，使两个地之间没有直接的导通回路。回路。（3）利用）利用浮地输入双层屏蔽放大器浮地输入双层屏蔽放大器。RxExI2I1R2R1ECMRCMEnHR1Z1Z2L数字化医疗仪器数字化医疗仪器的共模干数字化医疗仪器的共模干扰扰数字化医疗仪器eBenRxExIEVi数字化医疗仪器的串模干扰数字化医疗仪器的串模干扰v串模干扰串模干扰它是由外界条件引起的，它是由外界条件引起的，叠加叠加在被测电压上的在被测电压上的干扰信干扰信号号，并通过测量仪器的输入端，与被测信号一起进入测量，并通过测量仪器的输入端，与被

11、测信号一起进入测量仪器而引起的测量误差。串模干扰主要来自于仪器而引起的测量误差。串模干扰主要来自于高压输电线高压输电线所产生的所产生的空间电磁场空间电磁场。抑制串模干扰的措施：抑制串模干扰的措施：（1）采用滤波器）采用滤波器 双双T滤波器，低通滤波器等。滤波器，低通滤波器等。（2）选择器件）选择器件 采用双积分型的采用双积分型的 A/D 器件。积分周期要等于工频周器件。积分周期要等于工频周期的整数倍。期的整数倍。（3）电磁屏蔽）电磁屏蔽 除进行电磁屏蔽外，应选用带有屏蔽层的双绞线或除进行电磁屏蔽外，应选用带有屏蔽层的双绞线或同轴电缆作信号线。同轴电缆作信号线。v三运放电路特点为三运放电路特点为

12、:1、高输入阻抗、高输入阻抗;2、高共模抑制比、高共模抑制比CMRR;3、改变、改变RG 可调节放大倍数。可调节放大倍数。公式计算：公式计算：设：设： R1=R2；R3=R4；R5=R6 Vo1-Vo2=IG（2R1+RG）；）； Vi1-Vi2=IGRG；故：故： Vo1-Vo2=（Vi1-Vi2)(2R1+RG)/RG AV1=(2R1+RG)/RG=1+2R1/RG而而：AV2= - R5/R3所以：所以：总差模增益总差模增益 AV=AV1*AV2= - (1+2R1/RG)R5)/R3 而而总共模增益总共模增益AVM=AVM1*AVM2=1*0=0AAAVi1Vi2R1R2RGR3R4

13、R6R5V0+-三运放电路特点为三运放电路特点为:高输入阻抗高输入阻抗;高共模抑制比高共模抑制比CMRR;改变改变RG 可调节放大倍数。可调节放大倍数。Vo1Vo2v电路中，由两个性能一致的同相放大器并联构成平衡对称差电路中，由两个性能一致的同相放大器并联构成平衡对称差动输入级动输入级,输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及漂移均在两端互相抵消，因压有关，而其共模输出、失调及漂移均在两端互相抵消，因而电路具有良好的共模抑制能力，又不需要外部电阻匹配。而电路具有良好的共模抑制能力，又不需要外部电阻匹配。但一般难以消除偏置电

14、流的影响。若将其改为可调电阻，则但一般难以消除偏置电流的影响。若将其改为可调电阻，则电路具有增益调节能力。构成双端输入单端输出的输出级，电路具有增益调节能力。构成双端输入单端输出的输出级，进一步抑制共模信号，因此其选择应具有高共模抑制比。进一步抑制共模信号，因此其选择应具有高共模抑制比。v这种放大器精度高、稳定性好，常用于精密仪器电路和测控这种放大器精度高、稳定性好，常用于精密仪器电路和测控电路中。电路中。 AAAVi1Vi2R1R2RGR3R4R6R5V0+-Vo1Vo2心电信号前置放大器心电信号前置放大器v如图如图9-3所示三运放组成的放大器，是心电图机通常采所示三运放组成的放大器，是心电

15、图机通常采用的放大器。用的放大器。v当当R2=R3，R4=R6，R5=R7v例：例：v调节调节R144,可减小共模输出信号。可减小共模输出信号。 RRRRAV451212倍201001001212002AV二、光电耦合接口电路二、光电耦合接口电路v在病人与仪器设备之间必须有良好的在病人与仪器设备之间必须有良好的隔离措施隔离措施，以免病人以免病人受到受到仪器漏电仪器漏电时的时的强电危害强电危害以及使用以及使用除颤器时设备受到除颤器时设备受到高电压冲击的损伤高电压冲击的损伤。因此，。因此，隔离放大器是必不可少的。隔离放大器是必不可少的。v目前用于这种隔离的器件有许多种，例如光电目前用于这种隔离的器

16、件有许多种，例如光电耦合器、变压器、光敏电阻、磁敏电阻或霍尔耦合器、变压器、光敏电阻、磁敏电阻或霍尔效应器件等。效应器件等。v下图为接口电路的工作原理下图为接口电路的工作原理 光电耦合接口电路光电耦合接口电路光电耦合器驱动电路光电耦合器驱动电路 v上图显示了一个典型的光电耦合器驱动电路。在该例中，右上图显示了一个典型的光电耦合器驱动电路。在该例中，右边的边的5V副边输出将会被左边原边电路的脉宽调制器控制。副边输出将会被左边原边电路的脉宽调制器控制。v比较器比较器A1将将ZDl(结点结点A)的参考电压和通过分压电路的参考电压和通过分压电路R7和和R8的输出电压进行比较，因而控制的输出电压进行比较

17、，因而控制Q2的导通状态，可以定义发的导通状态，可以定义发光二极管光二极管D1的电流和通过光耦合在光敏晶体管的电流和通过光耦合在光敏晶体管Q1的集电极电的集电极电流。然后流。然后Q1定义脉冲宽度和输出电压，补偿任何使输出电压定义脉冲宽度和输出电压，补偿任何使输出电压改变的倾向。改变的倾向。v随着光电耦合器的使用时间增加和传输比即增益的下降，为随着光电耦合器的使用时间增加和传输比即增益的下降，为了防止控制失灵，给了防止控制失灵，给Q2提供充足的驱动电流裕量是很有必要提供充足的驱动电流裕量是很有必要的。的。 由于光电管选用的是配对器件，放大器的性能近于理想，由于光电管选用的是配对器件，放大器的性能

18、近于理想，配对电阻近似相等，电路补偿效果可以很好，整个电路线配对电阻近似相等，电路补偿效果可以很好，整个电路线性度容易达到性度容易达到1 1。 电路的增益推导如下：电路的增益推导如下：2111RVRviccI因光电管完全匹配，故：因光电管完全匹配，故：而而： 21ii 870522RRvRVicc若若 ，调，调 ，使，使 21ccccVV5R5221RVRVcccc87011RRvRv11870vRRRv18710RRRvvAv，v电路中的电路中的电容电容是为了是为了扩大扩大放大器放大器工作的频率范工作的频率范围围而设置的。而设置的。 v由于电路具有线性和宽带等特点，常由于电路具有线性和宽带等

19、特点，常串接串接在生在生物电放大器的物电放大器的前置输入和主放大器之间前置输入和主放大器之间，有效，有效地避免了触电危险和设备损伤的可能，抑制了地避免了触电危险和设备损伤的可能，抑制了微机系统与生物电放大器之间共地而产生的回微机系统与生物电放大器之间共地而产生的回流干扰。流干扰。 v两组两组电源电源也需要也需要隔离隔离。5.2 CF5.2 CF型数字式单道心电图机型数字式单道心电图机（ECG-6951DECG-6951D） 5.2.1 5.2.1 概述概述 vECG-6951D心电图机是上海光电医用电子仪器心电图机是上海光电医用电子仪器有限公司开发的一种带有有限公司开发的一种带有液晶显示液晶显

20、示屏幕的屏幕的热线热线阵打印阵打印和和微处理器控制技术微处理器控制技术的普及型的普及型单道自动单道自动心电图机心电图机。v该机小巧轻便，操作简便，记录清晰。该机小巧轻便，操作简便，记录清晰。vECG-6951D心电图机安全规格符合心电图机安全规格符合GB9706.1-1995标准要求，为标准要求，为1类类CF型机器。可作腔内心型机器。可作腔内心电图检查，极限漏电流电图检查，极限漏电流F 1、可显示心脏电生理、解剖、代谢和血流动力学改变，、可显示心脏电生理、解剖、代谢和血流动力学改变，并提供各种心脏病确诊和治疗的基本信息。并提供各种心脏病确诊和治疗的基本信息。2、判断心律失常类型。、判断心律失常

21、类型。 3、具有心肌梗塞可能的先兆症状如胸痛、头晕、或昏、具有心肌梗塞可能的先兆症状如胸痛、头晕、或昏厥的病人的首选检查。厥的病人的首选检查。4、诊断心绞痛。当冠状动脉供血不足引起心绞痛发作、诊断心绞痛。当冠状动脉供血不足引起心绞痛发作时，心电图会发生变化。时，心电图会发生变化。5、部分病人心房心室肥厚可在心电图上表现出来。、部分病人心房心室肥厚可在心电图上表现出来。 6、对心肌疾患心包炎的诊断有一定的帮助。、对心肌疾患心包炎的诊断有一定的帮助。7、帮助了解某些药物和电解质紊乱及酸碱失衡对心肌、帮助了解某些药物和电解质紊乱及酸碱失衡对心肌的影响。的影响。) 8、危重病人的心电监测。、危重病人的

22、心电监测。 5.2.2 5.2.2 数字式单道心电图机软件原理数字式单道心电图机软件原理 1 1、单片机软件特点、单片机软件特点vECG-6951D的的控制核心控制核心使用的是使用的是16位单片机位单片机，单，单片机设计包含硬件设计和软件设计，结合基于单片机设计包含硬件设计和软件设计，结合基于单片机的应用软件，来完成一系列功能。如图所示。片机的应用软件，来完成一系列功能。如图所示。硬件软件单片机应用系统图单片机应用系统图数字式单道心电图机软件原理数字式单道心电图机软件原理单片机的软件具有如下特点：单片机的软件具有如下特点： (1)与硬件联系紧密与硬件联系紧密，必须要对硬，必须要对硬件有一定的了

23、解。件有一定的了解。(2)有自己有自己特殊的指令特殊的指令和和编译连接编译连接系统系统。(3)软件具有个性软件具有个性，不同的芯片软，不同的芯片软件一般不能通用，必须经过移植件一般不能通用，必须经过移植。 数字式单道心电图机软件原理数字式单道心电图机软件原理2 2、主控、主控CPUCPU特点特点vECG-6951D控制核心使用的是控制核心使用的是Intel公司生公司生产的产的高性能高性能16位单片机位单片机80C196MH，其特，其特别适用于各类自动控制系统，一般的信号别适用于各类自动控制系统，一般的信号处理系统及高级智能仪器。因为这些系统处理系统及高级智能仪器。因为这些系统通常要求实时处理、

24、实时控制。通常要求实时处理、实时控制。v而而Intel16位单片机具有的下述特点可以提位单片机具有的下述特点可以提高系统的实时性：高系统的实时性：数字式单道心电图机工作原理数字式单道心电图机工作原理v(1)CPU中的中的算术逻辑单元算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，改用不采用常规的累加器结构，改用寄存器寄存器结构寄存器寄存器结构，CPU的操作直接面向寄存器，消除的操作直接面向寄存器，消除了一般了一般CPU结构中存在的累加器瓶颈效应，结构中存在的累加器瓶颈效应，提高提高了了操作速操作速度度和和数据吞吐能力数据吞吐能力。v(2)通用寄存器的数量通用寄存器的数量远比一般远比一般CPU的寄存器数量多

25、的寄存器数量多。这样。这样就有可能为各中断服务程序中的局部变量指定专门的寄存就有可能为各中断服务程序中的局部变量指定专门的寄存器，节省了中断服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存器器，节省了中断服务过程中保护寄存器现场和恢复寄存器现场所需的软件工作，方便了程序设计。现场所需的软件工作，方便了程序设计。v(3)有效率更高、执行有效率更高、执行速度更快的指令系统速度更快的指令系统。v(4)具有外设事务服务器具有外设事务服务器PTS，专门用于处理外设中断事务，专门用于处理外设中断事务，和普通中断服务过程相比，和普通中断服务过程相比，PTS服务大大减少了服务大大减少了CPU的软的软件处理。件处理。此外，此

26、外，80C196MH80C196MH还具有还具有丰富的外设丰富的外设。如下图所示：。如下图所示： 80C196MH80C196MH外设图外设图数字式单道心电图机工作原理数字式单道心电图机工作原理(1) 外设事务服务器外设事务服务器PTSvPTSPTS是一种微代码硬件中断处理器，可以减少是一种微代码硬件中断处理器，可以减少CPUCPU响应中断的处理。靠若干组固定的微代码，响应中断的处理。靠若干组固定的微代码，PTSPTS可可以对一些固定的操作实现高速的中断服务。如：以对一些固定的操作实现高速的中断服务。如：数据传送、启动数据传送、启动A/DA/D转换并读取转换结果等。转换并读取转换结果等。(2)

27、 事件处理器阵列事件处理器阵列EPAv包含若干个捕获包含若干个捕获/ /比较模块和若干比较模块，用来比较模块和若干比较模块，用来实现输入事件和输出事件发生的功能。实现输入事件和输出事件发生的功能。(3) 灵活的灵活的A/D转换器转换器vA/DA/D转换器具有转换位数（转换器具有转换位数（8 8位和位和1010位位) )可选择、采可选择、采样和转换时间可选择的特点。样和转换时间可选择的特点。 数字式单道心电图机工作原理数字式单道心电图机工作原理(4) 波形发生器波形发生器v可以输出可以输出2 2组互补的组互补的3 3相相PWMPWM信号，特别适合用于电信号，特别适合用于电机控制系统。机控制系统。

28、(5) 从口（从口（SLAVE PORT）v从口为单片机和其他微处理器之间提供一个接口，从口为单片机和其他微处理器之间提供一个接口，可以相互通讯。可以相互通讯。(6) 同步串行口同步串行口v支持若干标准同步串行传输协议。支持若干标准同步串行传输协议。3 380C196MH80C196MH的软件设计的软件设计(1)(1)编程语言编程语言v80C196MH80C196MH的软件设计的软件设计可以采用汇编语言或高级可以采用汇编语言或高级语言，两种语言语言，两种语言的特点对比如表的特点对比如表9-19-1所示。所示。A、汇编语言具有源代码小、效率高等优点，适合于对、汇编语言具有源代码小、效率高等优点，

29、适合于对实时性要求较高的场合，但是汇编语言调试比较麻烦，实时性要求较高的场合，但是汇编语言调试比较麻烦，要求编程者对硬件的了解要很清楚。要求编程者对硬件的了解要很清楚。B、随着高级语言的发展，编译效率的不断提高，加之、随着高级语言的发展，编译效率的不断提高，加之应用系统的规模和复杂性都在提高。目前，在单片机的应用系统的规模和复杂性都在提高。目前，在单片机的软件开发中，高级语言占据重要的地位软件开发中，高级语言占据重要的地位。表表1 汇编语言和高级语言的特点对比汇编语言和高级语言的特点对比 开发调试开发调试语言种类语言种类编程效率编程效率源代码规源代码规模模适用场合适用场合汇编语言汇编语言高高较

30、小较小不直观不直观调试不便调试不便适用于对实时性要求较适用于对实时性要求较高的系统，但不宜过于高的系统，但不宜过于复杂的大规模系统复杂的大规模系统高级语言高级语言如：如：C51C51、C196C196较高较高较大较大直观直观模块化模块化模块化设计，适用于大模块化设计，适用于大系统，复杂化较高系统，复杂化较高ASM196ASM196文本编辑器文本编辑器编写源程序编写源程序源代码源代码目标目标代码代码连接好的连接好的目标代码目标代码C196C196编译器编译器LIB196LIB196RL196RL196连接器连接器仿真器仿真器仿真调试程序仿真调试程序OH196OH196转换为烧录文件转换为烧录文件

31、烧录芯片烧录芯片（2 2）设计流程）设计流程80C196程序开发流程图程序开发流程图（3 3）80C196MH80C196MH的软件开发套件的软件开发套件 v1)C1961)C196：C C语言编译器，将语言编译器，将C C源程序编译为目标文件。源程序编译为目标文件。 2)RL1962)RL196：C C语言连接器，将目标文件结合库，连接为仿语言连接器，将目标文件结合库，连接为仿真调试文件真调试文件。 3 3）LIB196LIB196：程序需要的库文件，参与连接。程序需要的库文件，参与连接。4 4）OH196OH196：生成烧录文件。生成烧录文件。 以上以上4 4项均为项均为DOSDOS环境下

32、应用软件，目前均为环境下应用软件，目前均为WINDOWSWINDOWS环境环境下应用软件下应用软件 5 5）仿真运行、调试：）仿真运行、调试： v仿真软件仿真软件Easypack SLD v1.2Easypack SLD v1.2为集编辑，编译，连接，运行，为集编辑，编译，连接，运行，汇编等功能于一体的汇编等功能于一体的WindowsWindows应用软件。目前仿真软件大都具应用软件。目前仿真软件大都具有如下功能：有如下功能：v源程序编辑，编写源程序编辑，编写C C程序或汇编程序程序或汇编程序v在集成环境下启动编译程序，系统自动编译源程序为目标程在集成环境下启动编译程序，系统自动编译源程序为目

33、标程序，如果程序有错，系统会报错，再修改编译。序，如果程序有错，系统会报错，再修改编译。v在集成环境下启动连接程序在集成环境下启动连接程序v编译连接成功后，可以进入仿真界面，系统支持运行，断点，编译连接成功后，可以进入仿真界面，系统支持运行，断点，追踪等功能。可以实时的对寄存器修改等操作。追踪等功能。可以实时的对寄存器修改等操作。v根据芯片不同，有些仿真软件还可实现在线编程，在线写入，根据芯片不同，有些仿真软件还可实现在线编程，在线写入，完全模拟了程序真实的运行情况，功能很强大完全模拟了程序真实的运行情况，功能很强大。 ECG-6951DECG-6951D主程序软件主程序软件4 4ECG-69

34、51DECG-6951D主程序软件主程序软件（电原理框图）（电原理框图）v根据功能进行资源分析根据功能进行资源分析v主控主控CPUCPU要完成的主要功能要完成的主要功能（主控（主控CPUCPU功能图），功能图），通过功能通过功能和资源分析，和资源分析，80C196MH80C196MH在以下几方面均可满足心电图机的在以下几方面均可满足心电图机的功能要求：功能要求：v1)I/O1)I/O数量；数量；v2)A/D2)A/D指标；指标；v3)3)波形发生器；波形发生器；v4)PTS4)PTS中断；中断；v5)5)同步传输速度；同步传输速度；v6)6)异步传输协议；异步传输协议；v7)7)运算能力。运算

35、能力。ECG-6951DECG-6951D主程序软件主程序软件v系统流程图系统流程图详见详见“系统流程图系统流程图”。v各重要内容介绍各重要内容介绍v1)1)采样频率采样频率: :根据心电图机的频响要求，确定本系根据心电图机的频响要求，确定本系统统采样频率为采样频率为1000Hz1000Hz，即，即1 1毫秒采样一点，处理一毫秒采样一点，处理一点，然后打印一点。这样才能不失真的实时的记点，然后打印一点。这样才能不失真的实时的记录一个心电波形。录一个心电波形。v在一毫秒内必须完成的工作如下页图所示在一毫秒内必须完成的工作如下页图所示： ECG-6951DECG-6951D主程序软件主程序软件一毫

36、秒内完成工作图一毫秒内完成工作图自动增益自动增益自动导联自动导联自动基线自动基线波形显示波形显示菜单显示菜单显示单道心电图机单道心电图机单道热线阵记录单道热线阵记录液晶显示液晶显示手动手动/自动功能自动功能频率响应频率响应150Hz10位位A/D数字滤波数字滤波热线阵控制热线阵控制实时性高实时性高数据精度数据精度工频干扰工频干扰A/DA/D同步传输口同步传输口1路同步传输口，波特率：路同步传输口，波特率：2.76M波形发生器波形发生器4路波形发生器路波形发生器2路路A/D 精度：精度：10位位心电心电/基线数据基线数据I/O口口11个个I/O口口特殊功能特殊功能I/O口口7个个I/O口口键扫描

37、键扫描总线接口总线接口LED异步通讯口异步通讯口1路异步传输口，波特率：路异步传输口，波特率：500K飞利浦飞利浦8位单片机位单片机液晶模块液晶模块心电采集心电采集打印控制打印控制马达控制马达控制按键控制按键控制基线控制基线控制LED控制控制滤波、定标、复滤波、定标、复位导联、增益位导联、增益从机控制从机控制16-Bit CPUCoreI/O（41）774B RAMWatchdog10 bit A/DECG-Data（1个通道）12345678910 11 12 7个个LED 显示8个个导联选择4个个纸检，肌电定标，复位滤波7个个常用控制变量PWMSPIEvent ManagerLCM 显示2

38、0个个Step-Motor4路路比较中断Extermal Memory InterfaceFlashROMUARTMCU基线A/D通过功能和资源分析，通过功能和资源分析，80C196MH在以下几方面均可满足心电图机的在以下几方面均可满足心电图机的功能要求。功能要求。 I/O数量数量 A/D指标指标 波形发生器波形发生器 PTSPTS中断中断 同步传输速度同步传输速度 异步传输协议异步传输协议 运算能力运算能力 16 位位MCU180C196MH8 位位MCU2P89C58UBPN前置部分前置部分其他外设其他外设LCMPOWER患者输入输入保护缓冲放大导联选择威尔逊网络威尔逊网络前置放大起搏脉冲

39、时间常数肌电滤波脉宽调制调制解调基线控制增益控制外接输出浮动耦合打印控制热线阵LCD控制LCDDC/DC充电控制充电电池交流输入线路滤波AC/DC电源选择电压变换电源控制外接输入纸检控制传感器马达驱动马 达Flash ROMKEY扫描KEYLED控制LED50Hz滤波q 电源电源q 复位电路复位电路q 振荡电路振荡电路q 总线驱动与总线锁存总线驱动与总线锁存q I/O接口电路接口电路q A/D输入电路输入电路q D/A输出电路输出电路q 键扫描电路键扫描电路q 单片机最小系统单片机最小系统系统流程图，系统流程图，如图所示。如图所示。 开 始 系统初始化 While(1) 键扫描 A/D/马达/

40、I/O/ 其他初始化 是否有键 Do case 键值 速度控制 增益 控制 滤波控制 导联控制 运行控制 模式控制 定标控制 封闭控制 打印 走纸 是否运行 AD 转换 数据处理 报警处理 从机通讯 是 否 否 是 程序构成分析，如下图所示：程序构成分析，如下图所示： 程序构成分析图程序构成分析图 程程程程 序序序序 构构构构 成成成成 分分分分析析析析 头文件定义头文件定义 # include “ 80C196 .h” #include “xxxxx.h ” 控制变量控制变量& 函数声明函数声明 Float xxx Int xxx 主函数主函数 Main( ) initial_set

41、(); 初始化设置初始化设置 while(1) key_scan(key); system_set(); system_manager(); switch(key) ecg_parameter1_set(); ecg_parameter2_set(); 子函数子函数 Initial_set(); Key_scan(key); System_set(); System_manager(); Ecg- parameter1_set() Ecg- parameter2_set() 中断函数中断函数 Motor_init(); Motor_interrupt(); Ad_init(); Ad_inte

42、rrupt(); Sci_init(); Sci_interr upt(); Compare_init(); Compare_interrupt(); 程序构成分析程序构成分析v1)1)头文件的定义：头文件的定义：主要定义一些芯片特殊的寄存器。主要定义一些芯片特殊的寄存器。有别于普通有别于普通C C语言的头文件定义。定义的语法也比语言的头文件定义。定义的语法也比较特殊。较特殊。 v2)2)控制变量及函数声明：控制变量及函数声明：程序需要的常用变量标志程序需要的常用变量标志位及函数的说明。特殊之处：可以在定义变量的的位及函数的说明。特殊之处：可以在定义变量的的同时，分配其地址空间。同时，分配其地

43、址空间。 v3)3)主程序：主程序：构建整个系统的架构，各功能模块的初构建整个系统的架构，各功能模块的初始化及中断程序的参数重装。系统报警程序调用。始化及中断程序的参数重装。系统报警程序调用。 v4)4)重要子函数：重要子函数：一般子函数只需在调用前定义好，一般子函数只需在调用前定义好，声明好即可。中断函数则需要特定的语句来定义，声明好即可。中断函数则需要特定的语句来定义，同时必须声明好中断函数的中断地址。同时必须声明好中断函数的中断地址。 程序构成分析程序构成分析v1 1毫秒定时函数及其中断函数毫秒定时函数及其中断函数vA/DA/D转换函数及其中断函数转换函数及其中断函数v同步传输函数及其中

44、断函数同步传输函数及其中断函数v数据处理函数数据处理函数v马达中断函数马达中断函数v异步通讯函数及其中断函数异步通讯函数及其中断函数v如马达中断函数如马达中断函数 程序构成分析程序构成分析v打印控制打印控制v本机采用本机采用热线阵打印热线阵打印记录方式。在记录波形的同记录方式。在记录波形的同时可以记录文字。时可以记录文字。v波形打印：波形打印：除基线以外的波形部分，用除基线以外的波形部分，用一点发热一点发热方式打印方式打印。v基线打印：基线打印：为了模仿热笔记录方式，基线比较粗，为了模仿热笔记录方式，基线比较粗，故采用同时发热故采用同时发热多点多点的方式来的方式来打印打印。打印过程中。打印过程

45、中必须要注意打印过热，造成热线阵上发热点烧坏，必须要注意打印过热，造成热线阵上发热点烧坏，或记录纸烧坏。本公司采用千鸟打法来解决此问或记录纸烧坏。本公司采用千鸟打法来解决此问题。题。 程序构成分析程序构成分析v自动功能的实现自动功能的实现v自动定标：自动定标：在记录每一个导联之前，系统自动在记录每一个导联之前，系统自动在波形前加入一个定标。在波形前加入一个定标。v自动增益：自动增益：自动模式下，当信号过大时，通过自动模式下，当信号过大时，通过软件识别自动改变系统增益，以便记录合适的软件识别自动改变系统增益，以便记录合适的波形。波形。v自动基线：自动基线：开机时系统通过基线开机时系统通过基线AD

46、AD通道采集的通道采集的数据，确定基线的位置，在自动方式下，会自数据，确定基线的位置，在自动方式下，会自动根据心电图波形的特征，自动将波形摆放在动根据心电图波形的特征，自动将波形摆放在一个合适的位置。一个合适的位置。 程序构成分析程序构成分析v数字滤波数字滤波v为了为了消除干扰及排除消除干扰及排除5050赫兹工频干扰赫兹工频干扰，在数据处，在数据处理函数中会将理函数中会将ADAD采集的心电数据进行数字滤波，采集的心电数据进行数字滤波，这也是软件的特长。这也是软件的特长。v但是，做大型的数字滤波对但是，做大型的数字滤波对CPUCPU的要求较高，尤的要求较高，尤其是浮点运算，乘加其是浮点运算，乘加

47、运算速度运算速度。为了提高效率最。为了提高效率最好选用带有硬件乘法器的芯片，同时此部分的编好选用带有硬件乘法器的芯片，同时此部分的编程语言程语言最好用汇编语言最好用汇编语言，以提高效率。可以用，以提高效率。可以用MatlabMatlab来仿真调试数字滤波。来仿真调试数字滤波。 程序构成分析程序构成分析v系统设置系统设置v本机可以设置本机可以设置自动记录自动记录每导联的时间从每导联的时间从1 11212秒秒可选可选。v同时通过软件可以在手动方式下实现基线的移同时通过软件可以在手动方式下实现基线的移位。在自动方式下实现特定导联的保持记录。位。在自动方式下实现特定导联的保持记录。v总之，在硬件的基础

48、上，通过软件可以实现单总之，在硬件的基础上，通过软件可以实现单片机系统强大的功能，而且升级更改十分灵活。片机系统强大的功能，而且升级更改十分灵活。单片机的硬件和软件相互制约，相互促进，都单片机的硬件和软件相互制约，相互促进，都必须有较多的理解必须有较多的理解。 5 5液晶控制程序液晶控制程序(1)(1)芯片介绍芯片介绍主控芯片：主控芯片：飞利浦飞利浦5151系列单片机，系列单片机，OM4368BNOM4368BN，如下图所示：如下图所示： OM4368BNOM4368BN芯片图芯片图液晶控制程序特性液晶控制程序特性 v80C5180C51核心处理单元；核心处理单元；v片内片内FlashFlas

49、h程序存储器；程序存储器；v最大频率为最大频率为33MHz33MHz；v全静态操作；全静态操作；vRAMRAM可外部扩展为可外部扩展为64K64K字节；字节；v4 4个中断优先级；个中断优先级；v6 6个中断源；个中断源；v4 4个个8 8位位I/OI/O口口； 液晶控制程序特性液晶控制程序特性v全双工增强型全双工增强型UARTUART：帧数据错误检测；帧数据错误检测；自动地址自动地址识别；识别；v3 3个个1616位定时位定时/ /计数器计数器T0T0、T1T1（标准（标准80C5180C51）和增加的）和增加的T2T2（捕获和比较）；（捕获和比较）；v电源控制模式：电源控制模式：时钟可停止

50、和恢复；时钟可停止和恢复；空闲模空闲模式；式；掉电模式；掉电模式；v双数据指针；双数据指针；v可编程时钟输出；可编程时钟输出；v异步端口复位；异步端口复位；v低低EMI EMI （禁止（禁止ALEALE）；）；v掉电模式可通过外部中断唤醒。掉电模式可通过外部中断唤醒。v(2) (2) 开发流程：开发流程：开发过程基本同开发过程基本同80C196MH 80C196MH v(3) (3) 编程语言：编程语言：Franklin C51Franklin C51第三版第三版。 (4) (4) 软件流程，如图所示：软件流程，如图所示： 否否 是开始 液晶控制器初始化 接受来自主控CPU发来的状态信息和数据

51、信息TEST状态显示状态信息 显示心电波形 关机 缺纸 工作异常 显示缺纸信息显示异常信息是否关机 否是是 是 否 5.3 5.3 智能携带式动态心电监护仪智能携带式动态心电监护仪(Holter)(Holter)v动态心电图动态心电图-DCG-DCG。v智能动态心电图机智能动态心电图机(Holter)(Holter)是采用微型计算机是采用微型计算机对对DCGDCG实时分析、判断并有选择记录实时分析、判断并有选择记录, , 发现重症发现重症及时报警的携带式监护记录仪。及时报警的携带式监护记录仪。 5.3.1 5.3.1 动态心电监护仪的结构及其功能动态心电监护仪的结构及其功能 1. 1. 功能功

52、能 根据心电波的根据心电波的RRRR间期、间期、QRSQRS波宽、幅度大波宽、幅度大小等特征量进行实时分析，判断并有选择地存小等特征量进行实时分析，判断并有选择地存储记录。可以储记录。可以诊断诊断室颤、心动过缓、漏博、停室颤、心动过缓、漏博、停博、早博、博、早博、RonTRonT等等1010多种心律失常病症。多种心律失常病症。 2. 2. 组成结构组成结构 ( (见下图见下图) )2 27 7* *6 6LCDLCD显示显示译码驱动器译码驱动器8 80 0C C3 31 18 82 2C C5 55 5键键盘盘打打印印机机A A/ /D DD D/ /A ADIPDIP开开关关74H74HC3

53、73C3732 27 7C C6 64 46 62 2C C6 64 48 88 88 88 88 82 28 86 6报警报警5.3.2 5.3.2 智能智能HolterHolter的算法及其程序设计的算法及其程序设计1. 1. 数字滤波数字滤波2. QRS2. QRS波检测波检测3. R 3. R 波高度的补偿波高度的补偿4. QRS 4. QRS 波模板匹配技术波模板匹配技术5. 5. 心电数据压缩算法心电数据压缩算法智能动态心电监护仪系统工作模块与流程见以下框图。智能动态心电监护仪系统工作模块与流程见以下框图。智能动态心电监护仪系统工作流程图智能动态心电监护仪系统工作流程图软件算法原理

54、与应用效果软件算法原理与应用效果1.1.数字滤波数字滤波 在心电信号的拾取，放大及变换过程中，会在心电信号的拾取，放大及变换过程中，会引起各种干扰。用数字滤波对经过引起各种干扰。用数字滤波对经过A/DA/D转换后的心转换后的心电信号进行滤波和平整。电信号进行滤波和平整。 抑制抑制50Hz50Hz工频干扰采用工频干扰采用5 5点对称数字滤波器，点对称数字滤波器，即即: : 其中其中X X、Y Y分别是心电信号原始采样序列及分别是心电信号原始采样序列及经过滤波后的信号序列。经过滤波后的信号序列。)2() 1(4)(2) 1(4) 2(41)(1nXnXnXnXnXnYv滤波器的频率响应滤波器的频率

55、响应: :v对于对于200Hz200Hz的采样频率，在的采样频率，在50Hz50Hz处滤波器增益为处滤波器增益为零，滤波器的零，滤波器的幅频特性曲线幅频特性曲线如下页如下页图图(a)(a)所示，所示，但在高频率端信号的特性变差，但在高频率端信号的特性变差， 为此需进行平为此需进行平滑滤波。平滑滤波器的方程为滑滤波。平滑滤波器的方程为: :21cos2cos21)(jeH)1()(2) 1(41)(111nYnYnYnYv级联后的滤波器差分方程为级联后的滤波器差分方程为: :v级联后的滤波器频率应为级联后的滤波器频率应为: :v频率特性曲线如下图滤波器的频率特性曲线如下图滤波器的幅频特性曲线幅频

56、特性曲线 (b)(b)所示，由图可知通频带大约在所示，由图可知通频带大约在30 Hz30 Hz左右。这会使左右。这会使QRSQRS波的高频成分有所下降。但波的高频成分有所下降。但QRSQRS波的主要频率波的主要频率成分在成分在8 825Hz25Hz，大于，大于30Hz30Hz的高频成分所占的比重的高频成分所占的比重不大，已能满足对心律失常识别的要求。不大，已能满足对心律失常识别的要求。) 1(5)(4) 1(5) 2(2) 3(161)(nXnXnXnXnXnY)3() 2(2nXnX 2cos52cos2cos81)(jeHH HH Hf (Hz)f (Hz)0 20 40 60 80 10

57、00 20 40 60 80 1000 20 40 60 80 1000 20 40 60 80 1001.01.00.80.80.60.60.40.40.20.21.01.00.80.80.60.60.40.40.20.2 滤波器的幅频特性曲线图滤波器的幅频特性曲线图(a)(a)(b)(b)2. QRS2. QRS波检测波检测（1 1）技术处理）技术处理 求出求出绝对微分数据绝对微分数据的形式的形式: : 为了便于设计识别区分点的程序，把上为了便于设计识别区分点的程序，把上式修改成求式修改成求绝对微分数据绝对微分数据的形式：的形式：)()(414223113iiiiiiiiiXXXXXXXX

58、X)()(4223113iiiiiiiiiXXXXXXXXX（2 2）QRSQRS波检测波检测v先求出先求出400400个个微分数据微分数据的的最大值最大值。v由最大值定出由最大值定出 阈值阈值1 1，应保证能识别每一个，应保证能识别每一个QRSQRS波群波群超过超过阈值阈值1 1的时刻作为的时刻作为R R波的代表点，波的代表点，表明已进入表明已进入QRSQRS波群。波群。v然后逆方向（然后逆方向（P P波方向）求微分值小于某一波方向）求微分值小于某一值值（阈值（阈值2 2）的点，将在的点，将在0.015s0.015s（相当于（相当于3 3个个采样点）期间内连续小于阈值采样点）期间内连续小于阈

59、值2 2的那些点的的那些点的最后一点最后一点作为作为QRSQRS波的起点。波的起点。vQRSQRS波终点的识别与起点相似。起点与终点波终点的识别与起点相似。起点与终点的间期定义为的间期定义为 QRSQRS波的宽度波的宽度。QRSQRS波的处理波的处理原始心电图原始心电图微分心电图微分心电图绝对微分心电图绝对微分心电图（3 3）R R波检测波检测 在原始心电图中，从识别出的在原始心电图中，从识别出的QRSQRS波起点波起点开始，求开始，求200ms200ms内内数据为数据为最大值最大值的点作为的点作为 R R 波顶点波顶点，两个，两个相邻相邻 R R 波顶点波顶点之间的之间的间隔间隔即为即为 R

60、-R R-R 间隔间隔。3. R 3. R 波高度的补偿波高度的补偿 因为因为A/D A/D 采样不一定正好采到采样不一定正好采到 R R 波的峰值上，故需波的峰值上，故需对对 R R 波进行高度补偿。设波进行高度补偿。设R R波上升和下降斜率基本相同，波上升和下降斜率基本相同，而计算机对而计算机对R R波波采样高度为采样高度为 a a 。见下图。见下图(1)(1)采样点正落在采样点正落在R R波的峰值上波的峰值上, a-a, a-a-1-1 =a-a =a-a+1+1, ,则则 V VR R=a.=a.(2)(2)采样点在采样点在R R波上升沿波上升沿, a-a, a-a-1-1 a-a a-a+1