医疗仪器接口

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v人体的各种物理量（生物电位，心音，体温，血人体的各种物理量（生物电位，心音，体温，血压等）需用传感器将其变成电信号，经由诸如放压等）需用传感器将其变成电信号，经由诸如放大，滤波，干扰抑制，多路转换等信号检测及预大，滤波，干扰抑制，多路转换等信号检测及预处理电路，将模拟量的电压或电流送处理电路，将模拟量的电压或电流送 A/D 转换，转换，变成数字量，供计算机处理。变成数字量，供计算机处理。传

2、感器信号检测预处理/D转换并行接口微处理机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v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保护及隔离措施；离措施；v为适应不同生理信号幅度和输出的幅度范围，为适应不同生理信号幅度和输出的幅度范围，应有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，又要要频带合适频带合适，以便得到信号检出时的最大保真，以便得到信号检出时的最大保真度；度；信号源与数据采集电路间的接口电路信号源与数

3、据采集电路间的接口电路v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、状态信号的状态信号的电平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。v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光电隔离电路隔离电路做些介绍。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

4、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。 完整的心电信号放大器应由完整的心电信号放大器应由输入保护及屏输入保护及屏蔽电路、心电信号前置放大器、光电隔离电路、蔽电路、心电信号前置放大器、光电隔离电路、主放大电路、灵敏度调节和主放大电路、灵敏度调节和50Hz陷波电路、抗陷波电路、抗干扰滤波电路、外接输出电路以及限幅比较器、干扰滤波电路、外接输出电路以及限幅比较器、闭锁电路、无效信号检测电路等闭锁电路、无效信号检测电路等组成。组成。 以下重点介绍以下重点介绍心电信号前置放大器心电信号前置放大器，如后，如后页图所示。页图所示。 心电信号前置放大器心电信号前置放大

5、器 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，因为骨骼肌信号在这范围内也比较大，较大， 所以在心电图内产生躯体的伪迹。所以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，但对长期受监护的病人则更难办到，病人到的，但对长期受监护的病人则更难办到，病人的肌电干扰就不可避免。的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

6、前置放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v心电图心电图具有很低的频率成分，具有很低的频率成分，诊断用诊断用0.05Hz；但对监护仪来说，呼吸，电极偏置电位的变化，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，环境温度的变化及身体移动都会引起基线漂移，因而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。心电图机采用采用0.1Hz去漂移滤波器去漂移滤波器。v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。前置放大器的放

7、大倍数不宜太大，以避免造成电路饱和，宜太大，以避免造成电路饱和，前置放大器的增前置放大器的增益益一般在一般在100以下以下。为使心电信号推动记录机构，。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。需要主放大器将心电信号进一步放大。v前置放大器和主放大器之间可通过前置放大器和主放大器之间可通过RC耦合耦合，它，它决定了心电图机的低频响应，低端频响常以决定了心电图机的低频响应，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

8、触电阻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

9、信号得到放大，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

10、大器，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

11、，与被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

12、特点为: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=0AAAVi1Vi2R1R2RGR

13、3R4R6R5V0+-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。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

14、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 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，放大器的性能近于理想，配对电阻近

15、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特点，常串接串接在生

16、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示屏幕的屏幕的热线热

17、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10uA。1 1ECG-6951DECG-6951D主要特点主要特点v(1)采用采用16位位微处理器。微处理器。v(2)采用采用热线阵打印热线阵打印技术，消除了非线性及过冲技术，消除了非线性及过冲问题，并可以打印记录心电波形、导联名称

18、、问题，并可以打印记录心电波形、导联名称、时标、走纸速度、增益、滤波器等数据。时标、走纸速度、增益、滤波器等数据。v(3)具有具有3.2英寸黄绿模式英寸黄绿模式液晶显示屏液晶显示屏，能显示导，能显示导联的状态、走纸速度、滤波、灵敏度、手动联的状态、走纸速度、滤波、灵敏度、手动/自自动状态，及缺纸及工作异常的显示。在工作状动状态，及缺纸及工作异常的显示。在工作状态时能显示心电波形。态时能显示心电波形。v(4)具有具有手动手动/自动记录方式自动记录方式，自动方式下基线位，自动方式下基线位置自动控制、增益自动控制可手动移位控制。置自动控制、增益自动控制可手动移位控制。ECG-6951DECG-695

19、1D主要特点主要特点v(5)自动方式下，自动方式下，导联记录时间可设定导联记录时间可设定。v(6)步进马达步进马达及及高效传动系统高效传动系统，可靠性高，起动特性，可靠性高，起动特性好。好。v(7)有有工作异常检测工作异常检测、指示和标记功能，缺纸检测和、指示和标记功能，缺纸检测和指示。指示。v(8)安全保护功能安全保护功能：输入除颤保护、热线阵打印缺纸：输入除颤保护、热线阵打印缺纸保护等。保护等。v(9)电池充电自动控制电池充电自动控制。CFCF型数字式单道心电图机型数字式单道心电图机（ECG-6951DECG-6951D）v2 2ECG-6951DECG-6951D主要技术指标主要技术指标

20、v(1)ECG输入输入v导联导联: 标准标准12导联导联v输入方式输入方式: 浮地输入浮地输入v输入回路电流：输入回路电流： 0.1Av极化电压：极化电压： 300mVv标准灵敏度：标准灵敏度： 1002mm/reVv共模抑制比：共模抑制比： 100 dBv频率响应：频率响应：1150Hz -3dBCFCF型数字式单道心电图机型数字式单道心电图机（ECG-6951DECG-6951D）v(2)波形处理波形处理v交流滤波交流滤波: 50Hzv肌电滤波肌电滤波: 35-45Hzv时间常数：时间常数：3.2秒秒v波形状态检测波形状态检测: 电极异常电极异常v灵敏度选择灵敏度选择: 5、10、20mm

21、/mVCFCF型数字式单道心电图机型数字式单道心电图机（ECG-6951DECG-6951D）v(3)记录器记录器v打印方式打印方式: 高分辨率热打印头高分辨率热打印头v打印密度打印密度: 200dpi (垂直方向垂直方向)v记录宽度记录宽度: 48mmv走纸速度走纸速度: 25，50mm/sv记录纸记录纸: 50mm(宽宽)x 30mm(长长)卷纸卷纸v(4)液晶显示屏液晶显示屏v显示区域显示区域: 65 x 33mmv分辨率分辨率: 128点点(列列)x 64点点(行行)CFCF型数字式单道心电图机型数字式单道心电图机（ECG-6951DECG-6951D）v(5)示波输出插口示波输出插口

22、v灵敏度灵敏度: 0.5V/mVv输出阻抗输出阻抗: 100v(6)外接输入插口外接输入插口v灵敏度灵敏度 : 10mm/0.5Vv输入阻抗输入阻抗: 对地对地100kCFCF型数字式单道心电图机型数字式单道心电图机（ECG-6951DECG-6951D）v(7)电源电源v交流电源交流电源: 220V/50Hzv输入功率输入功率: 约约35VAv直流电源直流电源: 机内铅蓄电池机内铅蓄电池, 连续工作时间连续工作时间2小时；小时；充电自动控制充电自动控制(带涓流充电带涓流充电)，有过充电保护，有过充电保护v节电功能：直流状态下无键操作约节电功能：直流状态下无键操作约5分钟后自动切分钟后自动切断

23、电源。断电源。3 3心电图机方框图心电图机方框图 心电图机主要由前置放大板、主放大板、心电图机主要由前置放大板、主放大板、控制板、电源板四块板以及马达、记录器、热控制板、电源板四块板以及马达、记录器、热笔等机械装置组成，框图如下图所示。笔等机械装置组成，框图如下图所示。 心电图机心电图机原理框图原理框图 电源控制输出输出（描记心电信号）（描记心电信号）前放主放输入输入（心电信号）（心电信号）+12 +8 -85.2.2 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 v1 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

24、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。如下页图片机的应用软件，来完成一系列功能。如下页图所示。所示。v单片机的软件具有如下特点：单片机的软件具有如下特点：v(1)与硬件联系紧密与硬件联系紧密，必须要对硬件有一定的了解。，必须要对硬件有一定的了解。v(2)有自己有自己特殊的指令特殊的指令和和编译连接系统编译连接系统。v(3)软件具有个性软件具有个性，不同的芯片软件一般不能通用，不同的芯片软件一般不能通用，必须经过移植。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硬件软件单片机应用

25、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v2 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公司生产的公司生产的高高性能性能16位单片机位单片机80C196MH，其特别适用于各类，其特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。因为这些系统通常要求实时处理、实时控仪器。因为这些系统通常要求实时处理、实时控制。而制。而Intel16位单片机具有的下述特点可以提高位单片机具有的下述特点可以提高系统的实时性：系统的实时性：v(1)CPU中的中的算术逻辑单元算术

26、逻辑单元不采用常规的累加器结不采用常规的累加器结构，改用构，改用寄存器寄存器结构寄存器寄存器结构，CPU的操作直接的操作直接面向寄存器，消除了一般面向寄存器，消除了一般CPU结构中存在的累加结构中存在的累加器瓶颈效应，器瓶颈效应，提高提高了了操作速度操作速度和和数据吞吐能力数据吞吐能力。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(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的寄存器数的寄存器数量多量多。这样就有可能为各中断服务程序中的局部。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器，节省了中断服务过程中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

27、现场和恢复寄存器现场所需的软件工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。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，专门用于处理外设中断事务设中断事务，和普通中断服务过程相比，和普通中断服务过程相比，PTS服服务大大减少了务大大减少了CPU的软件处理。的软件处理。此外，此外，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

28、机工作原理v(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。v(2) 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

29、事件发生的功能。v(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v(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。v(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。v(6) 同步

30、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v(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。v汇编语言具有源代码小、效率高等优点，适合汇编语言具有源代码小、效率高等优点，适合于对实时性要求较高的场合，于对实时性要求较高的场合，v但是由于汇编语言调试比较麻烦，要求编程者但是由于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。对硬件的了解要很清

31、楚。v随着高级语言的发展，编译效率的不断提高，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，加之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在单片机的软件开发中，高级语言占据重要的地位地位。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

32、：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)80C196MH(3)80C196MH的软件开发套件的软件开发套件 v1)C1

33、961)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Ea

34、sypack 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

35、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v4 4ECG-6951DECG-6951D主程序软件主程序软件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，通过功能和资要完成的主要功能，通过功能

36、和资源分析，源分析，80C196MH80C196MH在以下几方面均可满足在以下几方面均可满足心电图机的功能要求：心电图机的功能要求：v1)I/O1)I/O数量；数量；2)A/D2)A/D指标；指标；3)3)波形发生器；波形发生器；4)PTS4)PTS中断；中断；5)5)同步传输速度；同步传输速度；6)6)异步传输异步传输协议；协议；7)7)运算能力。运算能力。 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

37、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秒内完成工作图一毫秒内完成工作图系统流程图，如图所示。系统流程图，如图所示。 开 始 系统初始化 While(1) 键扫描 A/D/马达/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

38、 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(); 初始化设置初始化设置 while(1) key_scan(key); system_set();

39、 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_interrupt(); Sci_init(); Sci_interr upt(); Compare_init(

40、); 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

41、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

42、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。

43、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ADAD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

44、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

45、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。

46、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FlashFlash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；vRAM

47、RAM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

48、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，如图软件流程，如图9-159-15所示：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

49、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。v智能动态心电图机智能动态心电图机(Holter)是采用微型计算是采用微型计算机对机对DCG实时分、判断并有选择记录实时分、判断并有选择记录, 发现发现重症及时报警的携带式监护记录仪。重症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. 功能功能 根据心电波的根据心电波的RR间期、间期、QRS波宽、波宽、幅度大小等特征量进行实时分析，判断并有幅度

50、大小等特征量进行实时分析，判断并有选择地存储记录。可以选择地存储记录。可以诊断诊断室颤、心动过缓、室颤、心动过缓、漏博、停博、早博、漏博、停博、早博、RonT等等10多种心律失多种心律失常病症常病症。 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74H74HC373C3732 27 7C C6 64 46 62 2C C6 64 48 88 88 88 88 82 28 86 65.3.

51、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智能动态心电监护仪系统工作流程见下页框图智能动态心电监护仪系统工作流程见下页框图 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，在心电信号的拾取，放大及变换过程中，会引起各种干扰。用数字滤波对经过会引起各种干扰。用数字滤波对经过A/D转换转换后的心电信号进行滤波和平整。后的心电信号进行滤波和平整。 抑制抑制50Hz工频干扰采用工频干扰采用5点对称数字滤波点对称数字滤波器，即器，即: 其中其中X、Y分别是心电信号原始采样序列分别是心电信号原始采样序列及经过滤波后的信号序列。及经过滤波后的信号序列。)2

52、() 1(4)(2) 1(4) 2(41)(1nXnXnXnXnXnY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开始开始采集心电波形采集心电波形数字滤波数字滤波QRS波检测波检测R波高度补波高度补偿偿QRS波模板匹配波模板匹配?记录发病时记录发病时间及类别间及类别重病重病?声光报警声光报警数据压缩建立数据压缩建立新新QRS模板模板YNYNv滤波器的频率响应滤波器的频率响应v对于的采样频率，在处滤波器增益为零，如滤波对于的采样频率，在处滤波器增益为零，如滤波器的器的幅频特性曲线图幅频特性曲线图(a)所示，但在高频率端信号所示，但在高频率端信号的特性变差，的特性变差， 此需进

53、行平滑滤波。平滑滤波器的此需进行平滑滤波。平滑滤波器的方程为方程为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特性曲线 (b)所所示，由图可知通频带大约在左右。这会使示，由图可知通频带大约在左右。这会使QRS波波的高频成分有所下降。但的高频成分有所下降。但QRS波的主要频率成分波的主要频率成分在，大于的高频成分所占的比重不大，已能满足在，大于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

54、求。对心律失常识别的要求。) 1(5)(4) 1(5) 2(2) 3(161)(nXnXnXnXnXnY)3() 2(2nXnX 2cos52cos2cos81)(jeHHHf (Hz)f (Hz)0 20 40 60 80 1000 20 40 60 80 1001.00.80.60.40.21.00.80.60.40.2 滤波器的幅频特性曲线图滤波器的幅频特性曲线图(a)(b)2. QRS波检测波检测（1） 技术处理技术处理求出绝对微分数据的形式求出绝对微分数据的形式: 为了便于设计识别区分点的程序，把为了便于设计识别区分点的程序，把上式修改成求绝对微分数据的形式：上式修改成求绝对微分数据

55、的形式：)()(414223113iiiiiiiiiXXXXXXXXX)()(4223113iiiiiiiiiXXXXXXXXX（2）QRS波检测波检测v先求出先求出400个微分数据个微分数据的的最大值最大值。v由最大值由最大值定出定出 阈值阈值1，应保证能识别每一个，应保证能识别每一个QRS波群波群超过阈值超过阈值1的时刻作为的时刻作为R波的代表点，波的代表点，表明已表明已进入进入QRS波群波群。v然后然后逆方向逆方向（P波方向）波方向）求微分值小于某一求微分值小于某一值（阈值值（阈值2）的点）的点，将在，将在0.015s（相当于（相当于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

56、阈值2的那些点的的那些点的最后一点作为最后一点作为QRS波的起点波的起点。vQRS波波终点的识别与起点相似终点的识别与起点相似。起点与终点。起点与终点的间期定义为的间期定义为 QRS波的宽度波的宽度。QRS波的处理波的处理（3）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QRS波起点开始，求波起点开始，求200ms内数据为最大值的点作为内数据为最大值的点作为 R 波顶点，两个相邻波顶点，两个相邻 R 波顶点之间的间隔即为波顶点之间的间隔即为 R-R 间隔。间隔。3. R 波高度的补偿波高度的补偿 因为因为A/D 采样不一定正好采到采样不一定正好采到 R 波的峰值上，故需

57、对波的峰值上，故需对 R 波进行高度补偿。设波进行高度补偿。设R波上升和下降斜率基本相同，而波上升和下降斜率基本相同，而计算机对计算机对R波波采样高度为采样高度为 a 。见下图。见下图(1) 采样点正落在采样点正落在R波的峰值上波的峰值上, a-a-1 =a-a+1,则则 VR=a.(2) 采样点在采样点在R波波上升沿上升沿, a-a-1 a-a+1，则，则VR=a+|a+1-a-1|/2(3) 采样点在采样点在R波波下降沿下降沿, a-a-1 a-a+1，则，则VR=a+|a+1-a-1|/2(4) 采样点在采样点在R波波下降沿下降沿, a-a-1=0,则则VR=a+(a-1-a-2)/2(

58、5) 采样点在采样点在R波波上升沿上升沿, a-a+1=0，则，则VR=a+(a+1-a+2)/2R波的高度补偿示意图波的高度补偿示意图a-1a-2aa+1a-1aa+1a+2a+1aa-1a-2a-1aa+1a+2a+1a+2a-1a-2a4. QRS 波模板匹配技术波模板匹配技术 系统软件通过自学习系统软件通过自学习,建立一个正常的建立一个正常的QRS 波模板，波模板， 判断以后的实时心电信号是否与模板判断以后的实时心电信号是否与模板匹配匹配(各项特征参数大致相等否各项特征参数大致相等否)。若匹配就说明。若匹配就说明此此QRS波与模板是同一类波形波与模板是同一类波形;否则就怀疑它是否则就怀

59、疑它是异常的异常的QRS波波,存入内存作另一类模板。如此反存入内存作另一类模板。如此反复复,建立一个建立一个QRS波模板集。波模板集。5. 心电数据压缩算法心电数据压缩算法目的目的: 减少数据量减少数据量,而又不使主要信息失真。而又不使主要信息失真。转折点算法转折点算法: 它分析采样点的趋势它分析采样点的趋势,在两相邻点中在两相邻点中只存储一个只存储一个, 可以可以压缩数据一半压缩数据一半。基本方法基本方法: 以以X0作为参考点作为参考点,在随后的在随后的X1和和X2两点两点之中选择一点。见下表之中选择一点。见下表:心电数据压缩算法表心电数据压缩算法表v数学算法数学算法:其中，若其中，若: (

60、X2 - X1)*(X1 - X0) 0 , 则则 X0 = X1 ; 若若: (X2 - X1)*(X1 - X0)0 , 则则 X0 = X2 。优点优点: 简便迅速简便迅速.缺点缺点: 连用两次后连用两次后,失真显著。失真显著。5.4 5.4 病房监护技术病房监护技术 v医疗监护技术最重要的应用医疗监护技术最重要的应用是对住院危重病人的监护，是对住院危重病人的监护，简称简称病房监护病房监护。v监护的对象多数是危重病人。监护的对象多数是危重病人。v按监护内容分为：按监护内容分为：v冠心病监护病房冠心病监护病房（Coronary Care Unit，CCU）、）、危重危重病人监护病房病人监护病房（I