CN105559773A - 专用于医用运动平板校准的信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种专用于医用运动平板校准的信号发生器。本发明包括电源模块、DA发波模块、芯片发波模块、波形输出接口模块。电源模块供电给DA发波模块和芯片发波模块，DA发波模块发出的标准心率信号、芯片发波模块发出的正弦波和方波通过波形输出接口模块输出。同时，本发明根据医用运动平板校准所需要的波形及指标，逆向设计出幅值调节模块中的数模转换芯片的输入数字量，衰减倍数，频率调节模块中的11路电容的容值。本发明专用于医用运动平板心电参数的校准，具有输出波形稳定、校准方便等优点。

Description

专用于医用运动平板校准的信号发生器

技术领域

本发明涉及一种医用信号发生器，特别是一种专用于医用运动平板校准的信号发生器。

背景技术

随着生活水平的提高、生活节奏的加快以及体育运动时间的不足，冠心病已经成为当前威胁我国人民健康的主要疾病。通常情况下，冠心病具有隐蔽性强的特点，许多患者即使其冠状动脉扩张的最大储备能力已经明显下降，但静息时冠状动脉血流量仍可维持正常，无心肌缺血现象，而静态心电图显示正常。患者在发病前也无明显症状，易被忽视，一旦发病就容易形成心肌梗塞，导致猝死。因此，提高对早期冠心病患者诊断的准确率，是预防冠心病突发的关键。

医用运动平板由带心电分析系统的计算机和运动平板（医用跑步机）组成，它是通过观测人在有氧运动情况下的心电图，来诊断是否患有冠心病的一种医疗设备。

根据国家即将实施的校准规范，对医用运动平板的心电分析系统进行校准时，需要波形幅值小、频率低、精度高、稳定性高的信号发生器。现有的信号发生器频率高、波形幅值大、精度低，不适用于医用运动平板心电参数的校准。现有的医用信号发生器不能方便地输出特定频率和幅值的波形，且稳定性很难保证，这类医用信号发生器多用于医疗设备的维修、调试和检测等，因此，目前还没有专用于医用运动平板校准的信号发生器。

技术实现上，现有的医用信号发生器多为模拟电路发波、芯片发波和数据包发波，模拟电路发波波形改变不灵活，精度和稳定性很难保证；而芯片发波无法发出校准心率信号；数据包发波能够发出标准心率信号，但对波形数据量密度的要求极高，而且频率调整非常难。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够解决前述问题的专用于医用运动平板校准的信号发生器。

专用于医用运动平板校准的信号发生器，包括电源模块、DA发波模块、芯片发波模块、波形输出接口模块，所述的电源模块供电给DA发波模块和芯片发波模块，DA发波模块发出的标准心率信号、芯片发波模块发出的正弦波和方波通过波形输出接口模块输出。

所述的电源模块包括电源、电源稳压模块、电源滤波模块，电源通过电源稳压模块和电源滤波模块，输出稳定的12V电压；DA发波模块包括电源转换模块、上位机、单片机、DAC、滤波器，上位机将标准心率信号函数产生的标准心率信号的数据存储到单片机的内部FLASH中，通过DAC生成标准心率信号，并通过滤波器滤波；芯片发波模块中的波形发生芯片发出的正弦波和方波通过幅值调节模块、频率调节模块、衰减器1和衰减器2、电压跟随器1和电压跟随器2，得到特定频率和幅值的波形；波形输出接口模块包括量程切换模块、继电器组和导联接口模块，量程切换模块将波形转换为C1~C6、RL、LL、LA、RA的10个接口对应的波形，并通过继电器组来控制通断，输出到导联接口模块。

所述的芯片发波模块中的波形发生芯片U2的型号为ICL8038，波形发生芯片U2供电电压为+12V，输出方波（SQU）和正弦波（SIN）；波形发生芯片U2外接元件包括五只电阻、两只滑动变阻器、三只电容，波形发生芯片U2的6脚接+12V电源，波形发生芯片U2的11脚接地，波形发生芯片U2的1脚接第一滑动变阻器R6，波形发生芯片U2的12脚接第二滑动变阻器R10，波形发生芯片U2的9脚和2脚分别输出方波和正弦波。

所述的幅值调节模块包括数模转换芯片U1、一只电阻和一只电容，数模转换芯片U1的型号为TLV5616，单片机型号为MSP430F149，数模转换芯片U1的1脚和2脚接单片机的串口，数模转换芯片U1的3脚和4脚分别接单片机的P3.0和P3.1，数模转换芯片U1的6脚和8脚接+5V电源，数模转换芯片U1的7脚串联第一电阻R7输出电压，接波形发生芯片U2的8脚，用于调节波形的幅值。

所述的频率调节模块包括两片模拟多路开关芯片和15只电容，模拟多路开关芯片的型号为AD7501，两片模拟多路开关芯片U5和U6的14脚接+12V电源，两片模拟多路开关芯片U5和U6的15脚和2脚接地，两片模拟多路开关芯片U5和U6的12脚接波形发生芯片U2的10脚，第一模拟多路开关芯片U5的16脚、1脚、4脚和3脚分别与单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3相连，第二模拟多路开关芯片U6的16脚、1脚和3脚分别与单片机的P2.4、P2.5、P2.6相连，第一模拟多路开关芯片U5的5脚、6脚、7脚、8脚、9脚、10脚、11脚、13脚分别与八只电容的一端相连，八只电容的另一端接地，第二模拟多路开关芯片U6的10脚、11脚、13脚分别与三只电容的一端相连，三只电容的另一端接地。

所述的衰减器1、衰减器2、电压跟随器1、电压跟随器2通过双运放芯片实现，双运放芯片的型号为OPA1612，供电电压为+12V，双运放芯片包含两个运算放大器U3和U4，第一运算放大器U3的正端通过并联第二电阻R14和第一电容C7接地，第三电阻R1的一端与第一运算放大器U3的输出端相连，第三电阻R1的另一端接第一运算放大器U3的负端和第四电阻R2的一端，第四电阻R2的另一端接第三滑动变阻器R3，第一运算放大器U3的输出端接第五电阻R13与第二电容C5组成的第一低通滤波器，第一低通滤波器的另一端与接插件J1的1脚相连；第二运算放大器U4的正端接第六电阻R16和第七电阻R18的一端，第六电阻R16的另一端接第四滑动变阻器R15，第七电阻R18的另一端接地，第二运算放大器U4的负端接第二运算放大器U4输出端，第二运算放大器U4输出端接第八电阻R17与第三电容C12组成的第二低通滤波器，第二低通滤波器的另一端与接插件J1的2脚相连。

所述的波形发生芯片U2的10脚接电容来控制输出波形的频率，医用运动平板校准所需的方波和正弦波的频率点为0.1Hz、0.5Hz、1Hz、2.5Hz、10Hz、20Hz、40Hz、60Hz、80Hz、100Hz、150Hz，查阅波形发生芯片U2的技术手册，波形频率计算公式如下：

式中R取10KΩ，计算出C的11个值，通过两片模拟多路开关芯片的11个开关来控制11个电容的通断；单片机与第一模拟多路开关芯片U5的A0、A1、A2引脚相连，芯片内部带有译码器，控制8路开关的通断，单片机与第二模拟多路开关芯片U6的A0、A1引脚相连，控制其中的3路开关通断。

所述的波形发生芯片U2的9脚和2脚分别输出方波和正弦波，通过高精度示波器测量输出方波的幅值V1和正弦波的峰峰值V2，医用运动平板校准所需的方波幅值为1mV，正弦波峰峰值为25μV、1mV、2mV，将V1除以1mV，确定衰减器1的衰减倍数，将V2分别除以25μV、1mV和2mV，确定衰减器2的衰减倍数。

所述的波形发生芯片U2的8脚通过输入不同的电压来控制输出波形的幅值，搭建完整电路，波形发生芯片U2的8脚外接直流稳压电源；医用运动平板校准所需的方波幅值为1mV，调节直流稳压电源，测量接插件J1的2脚的电压，稳定在1mV时，记录直流稳压电源的电压值V3，波形发生芯片U2的8脚的电压由12位数模转换芯片TLV5616提供，根据模拟量V3计算出对应的数字量D1;医用运动平板校准所需的正弦波峰峰值为25μV、1mV、2mV，调节直流稳压电源，通过高精度示波器测量接插件J1的1脚的正弦波的峰峰值，分别记录峰峰值为25μV、1mV、2mV时，直流稳压电源的电压值V4、V5、V6，根据模拟量V4、V5、V6计算出对应的数字量D2、D3、D4；在单片机程序中嵌入数字量D1、D2、D3、D4，通过单片机来控制波形发生芯片U2的8脚的电压，以此来控制波形输出的幅值。

本发明的有益效果：

本发明专用于医用运动平板心电参数的校准，方便了医用运动平板心电参数的校准。

本发明将数据包发波与芯片发波相结合，提高了系统的性能，同时对电路进行逆向设计，提高了特定频率和幅值波形输出的稳定性。

本发明建立了医用运动平板心电参数的量值传递与溯源体系，使得医用运动平板心电参数溯源至国家计量基准，保证了医用运动平板心电分析系统的准确性。

附图说明

图1是本发明的简易框图；

图2是本发明的详细框图；

图3是本发明的发波芯片模块电路图；

图4是本发明的幅值调节模块电路图；

图5是本发明的频率调节模块电路图；

图6是本发明的双运放芯片模块电路图；

图中1.电源模块，2.DA发波模块，3.芯片发波模块，4.波形输出接口模块。

具体实施方式

如图1所示的专用于医用运动平板校准的信号发生器的简易框图，包括电源模块1、DA发波模块2、芯片发波模块3、波形输出接口模块4。所述的电源模块1供电给DA发波模块2和芯片发波模块3，DA发波模块2发出的标准心率信号、芯片发波模块3发出的正弦波和方波通过波形输出接口模块4输出。

如图2所示的专用于医用运动平板校准的信号发生器的详细框图，所述的电源模块1包括电源、电源稳压模块、电源滤波模块，电源通过电源稳压模块和电源滤波模块，输出稳定的12V电压；DA发波模块2包括电源转换模块、上位机、单片机、DAC、滤波器，上位机将标准心率信号函数产生的标准心率信号的数据存储到单片机的内部FLASH中，通过DAC生成标准心率信号，并通过滤波器滤波；芯片发波模块3中的波形发生芯片发出的正弦波和方波通过幅值调节模块、频率调节模块、衰减器、电压跟随器，得到特定频率和幅值的波形；波形输出接口模块4包括量程切换模块、继电器组和导联接口模块，量程切换模块将波形转换为C1~C6、RL、LL、LA、RA的10个接口对应的波形，并通过继电器组来控制通断，输出到导联接口模块。

如图3所示的发波芯片模块电路图，所述的芯片发波模块3中的波形发生芯片U2的型号为ICL8038，波形发生芯片U2供电电压为+12V，输出方波（SQU）和正弦波（SIN）；波形发生芯片U2外接元件包括五只电阻、两只滑动变阻器、三只电容，波形发生芯片U2的6脚接+12V电源，波形发生芯片U2的11脚接地，波形发生芯片U2的1脚接第一滑动变阻器R6，波形发生芯片U2的12脚接第二滑动变阻器R10，波形发生芯片U2的9脚和2脚分别输出方波（SQU）和正弦波（SIN）。

如图4所示的幅值调节模块电路图，所述的幅值调节模块包括数模转换芯片U1、一只电阻和一只电容，数模转换芯片U1的型号为TLV5616，单片机型号为MSP430F149，数模转换芯片U1的1脚和2脚接单片机的串口，数模转换芯片U1的3脚和4脚分别接单片机的P3.0和P3.1，数模转换芯片U1的6脚和8脚接+5V电源，数模转换芯片U1的7脚串联第一电阻R7输出电压，接波形发生芯片U2的8脚，用于调节波形的幅值。

如图5所示的频率调节模块电路图，所述的频率调节模块包括两片模拟多路开关芯片和15只电容，模拟多路开关芯片的型号为AD7501，两片模拟多路开关芯片U5和U6的14脚接+12V电源，两片模拟多路开关芯片U5和U6的15脚和2脚接地，两片模拟多路开关芯片U5和U6的12脚接波形发生芯片U2的10脚，第一模拟多路开关芯片U5的16脚、1脚、4脚和3脚分别与单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3相连，第二模拟多路开关芯片U6的16脚、1脚和3脚分别与单片机的P2.4、P2.5、P2.6相连，第一模拟多路开关芯片U5的5脚、6脚、7脚、8脚、9脚、10脚、11脚、13脚分别与八只电容的一端相连，八只电容的另一端接地，第二模拟多路开关芯片U6的10脚、11脚、13脚分别与三只电容的一端相连，三只电容的另一端接地。

如图6所示的双运放芯片模块电路图，所述的衰减器1、衰减器2、电压跟随器1、电压跟随器2通过双运放芯片实现，双运放芯片的型号为OPA1612，供电电压为+12V，双运放芯片包含两个运算放大器U3和U4，第一运算放大器U3的正端通过并联第二电阻R14和第一电容C7接地，第三电阻R1的一端与第一运算放大器U3的输出端相连，第三电阻R1的另一端接第一运算放大器U3的负端和第四电阻R2的一端，第四电阻R2的另一端接第三滑动变阻器R3，第一运算放大器U3的输出端接第五电阻R13与第二电容C5组成的第一低通滤波器，第一低通滤波器的另一端与接插件J1的1脚相连；第二运算放大器U4的正端接第六电阻R16和第七电阻R18的一端，第六电阻R16的另一端接第四滑动变阻器R15，第七电阻R18的另一端接地，第二运算放大器U4的负端接第二运算放大器U4输出端，第二运算放大器U4输出端接第八电阻R17与第三电容C12组成的第二低通滤波器，第二低通滤波器的另一端与接插件J1的2脚相连。

表1为医用运动平板校准所需波形及指标

所述的波形发生芯片U2的10脚接电容来控制输出波形的频率，从表中可以看到，医用运动平板校准所需的方波和正弦波的频率点为0.1Hz、0.5Hz、1Hz、2.5Hz、10Hz、20Hz、40Hz、60Hz、80Hz、100Hz、150Hz，查阅波形发生芯片U2的技术手册，波形频率计算公式如下：

式中R取10KΩ，计算出C的11个值，通过两片模拟多路开关芯片的11个开关来控制11个电容的通断；单片机与第一模拟多路开关芯片U5的A0、A1、A2引脚相连，芯片内部带有译码器，控制8路开关的通断，单片机与第二模拟多路开关芯片U6的A0、A1引脚相连，控制其中的3路开关通断。

所述的波形发生芯片U2的9脚和2脚分别输出方波和正弦波，通过高精度示波器测量输出方波的幅值V1和正弦波的峰峰值V2，从表中可以查看到，医用运动平板校准所需的方波幅值为1mV，正弦波峰峰值为25μV、1mV、2mV，将V1除以1mV，确定衰减器1的衰减倍数，将V2分别除以25μV、1mV和2mV，确定衰减器2的衰减倍数。所述的波形发生芯片U2的8脚通过输入不同的电压来控制输出波形的幅值，搭建完整电路，波形发生芯片U2的8脚外接直流稳压电源；医用运动平板校准所需的方波幅值为1mV，调节直流稳压电源，测量接插件J1的2脚的电压，稳定在1mV时，记录直流稳压电源的电压值V3，波形发生芯片U2的8脚的电压由12位数模转换芯片TLV5616提供，根据模拟量V3计算出对应的数字量D1；医用运动平板校准所需的正弦波峰峰值为25μV、1mV、2mV，调节直流稳压电源，通过高精度示波器测量接插件J1的1脚的正弦波的峰峰值，分别记录峰峰值为25μV、1mV、2mV时，直流稳压电源的电压值V4、V5、V6，根据模拟量V4、V5、V6计算出对应的数字量D2、D3、D4；在单片机程序中嵌入数字量D1、D2、D3、D4，通过单片机来控制波形发生芯片U2的8脚的电压，以此来控制波形输出的幅值。

在对医用运动平板的心电参数进行校准时，将医用运动平板的导联线接到本发明的导联接口，按校准规范要求，按照波形及指标要求逐个发出特定幅值和频率的波形，对医用运动平板的参数逐个进行校准。过程中，单片机通过输出不同的数字量，来控制幅值调节模块输出不同的电压，以对输出波形幅值进行设定；单片机通过切换频率调节模块不同模拟开关的通过，来选择不同的电容接到波形发生芯片，以对输出波形频率进行设定。

综上，本发明将数据包发波与将芯片发波相结合，标准心率信号通过数据包发出，在保证能够发出标准心率信号的同时，将正弦波和方波通过芯片发出，减小了单片机的任务量，提高了系统的性能。

本发明依据医用运动平板心电参数校准所需波形的频率和幅值，逆向对信号发生器进行电路设计，包括幅值调节模块中数字量的测定与计算，频率调节模块中电容的计算，保证了特定幅值和频率波形的稳定输出，能够方便地专用于医用平板心电参数的校准。

本发明建立了医用运动平板心电部分参数的量值传递与溯源体系，使得医用运动平板心电参数溯源至国家计量基准，使计量检测人员方便医用运动平板心电参数的校准，保证了参数的准确性，使得冠心病潜在人员能够即时正确发现，避免误诊、漏诊情况的发生。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.专用于医用运动平板校准的信号发生器，包括电源模块（1）、DA发波模块（2）、芯片发波模块（3）、波形输出接口模块（4），其特征在于：所述的电源模块（1）供电给DA发波模块（2）和芯片发波模块（3），DA发波模块（2）发出的标准心率信号、芯片发波模块（3）发出的正弦波和方波通过波形输出接口模块（4）输出；

所述的电源模块（1）包括电源、电源稳压模块、电源滤波模块，电源通过电源稳压模块和电源滤波模块，输出稳定的12V电压；DA发波模块（2）包括电源转换模块、上位机、单片机、DAC、滤波器，上位机将标准心率信号函数产生的标准心率信号的数据存储到单片机的内部FLASH中，通过DAC生成标准心率信号，并通过滤波器滤波；芯片发波模块（3）中的波形发生芯片发出的正弦波和方波通过幅值调节模块、频率调节模块、第一衰减器和第二衰减器、第一电压跟随器和第二电压跟随器，得到设定频率和幅值的波形；波形输出接口模块（4）包括量程切换模块、继电器组和导联接口模块，量程切换模块将波形转换为C1~C6、RL、LL、LA、RA的10个接口对应的波形，并通过继电器组来控制通断，输出到导联接口模块。

2.根据权利要求1所述的专用于医用运动平板校准的信号发生器，其特征在于：所述的芯片发波模块（3）中的波形发生芯片U2的型号为ICL8038，波形发生芯片U2供电电压为+12V，输出方波和正弦波；波形发生芯片U2外接元件包括五只电阻、两只滑动变阻器、三只电容，波形发生芯片U2的6脚接+12V电源，波形发生芯片U2的11脚接地，波形发生芯片U2的1脚接第一滑动变阻器R6，波形发生芯片U2的12脚接第二滑动变阻器R10，波形发生芯片U2的9脚和2脚分别输出方波和正弦波。

3.根据权利要求1所述的专用于医用运动平板校准的信号发生器，其特征在于：所述的幅值调节模块包括数模转换芯片U1、一只电阻和一只电容，数模转换芯片U1的型号为TLV5616，单片机型号为MSP430F149，数模转换芯片U1的1脚和2脚接单片机的串口，数模转换芯片U1的3脚和4脚分别接单片机的P3.0和P3.1，数模转换芯片U1的6脚和8脚接+5V电源，数模转换芯片U1的7脚串联第一电阻R7输出电压，接波形发生芯片U2的8脚，用于调节波形的幅值。

4.根据权利要求1所述的专用于医用运动平板校准的信号发生器，其特征在于：所述的频率调节模块包括两片模拟多路开关芯片和15只电容，模拟多路开关芯片的型号为AD7501，两片模拟多路开关芯片U5和U6的14脚接+12V电源，两片模拟多路开关芯片U5和U6的15脚和2脚接地，两片模拟多路开关芯片U5和U6的12脚接波形发生芯片U2的10脚，第一模拟多路开关芯片U5的16脚、1脚、4脚和3脚分别与单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3相连，第二模拟多路开关芯片U6的16脚、1脚和3脚分别与单片机的P2.4、P2.5、P2.6相连，第一模拟多路开关芯片U5的5脚、6脚、7脚、8脚、9脚、10脚、11脚、13脚分别与八只电容的一端相连，八只电容的另一端接地，第二模拟多路开关芯片U6的10脚、11脚、13脚分别与三只电容的一端相连，三只电容的另一端接地，单片机型号为MSP430F149。

5.根据权利要求1所述的专用于医用运动平板校准的信号发生器，其特征在于：所述的第一衰减器、第二衰减器、第一电压跟随器、第二电压跟随器通过双运放芯片实现，双运放芯片的型号为OPA1612，供电电压为+12V，双运放芯片包含两个运算放大器U3和U4，第一运算放大器U3的正端通过并联第二电阻R14和第一电容C7接地，第三电阻R1的一端与第一运算放大器U3的输出端相连，第三电阻R1的另一端接第一运算放大器U3的负端和第四电阻R2的一端，第四电阻R2的另一端接第三滑动变阻器R3，第一运算放大器U3的输出端接第五电阻R13与第二电容C5组成的第一低通滤波器，第一低通滤波器的另一端与接插件J1的1脚相连；第二运算放大器U4的正端接第六电阻R16和第七电阻R18的一端，第六电阻R16的另一端接第四滑动变阻器R15，第七电阻R18的另一端接地，第二运算放大器U4的负端接第二运算放大器U4输出端，第二运算放大器U4输出端接第八电阻R17与第三电容C12组成的第二低通滤波器，第二低通滤波器的另一端与接插件J1的2脚相连。

6.根据权利要求1所述的专用于医用运动平板校准的信号发生器，其特征在于：所述的波形发生芯片U2的10脚接电容来控制输出波形的频率，医用运动平板校准所需的方波和正弦波的频率点为0.1Hz、0.5Hz、1Hz、2.5Hz、10Hz、20Hz、40Hz、60Hz、80Hz、100Hz、150Hz，波形频率计算公式如下：

式中R取10KΩ，计算出C的11个值，通过两片模拟多路开关芯片的11个开关来控制11个电容的通断；单片机与第一模拟多路开关芯片U5的A0、A1、A2引脚相连，芯片内部带有译码器，控制8路开关的通断，单片机与第二模拟多路开关芯片U6的A0、A1引脚相连，控制其中的3路开关通断。

7.根据权利要求1所述的专用于医用运动平板校准的信号发生器，其特征在于：所述的波形发生芯片U2的9脚和2脚分别输出方波和正弦波，通过示波器测量输出方波的幅值V1和正弦波的峰峰值V2，医用运动平板校准所需的方波幅值为1mV，正弦波峰峰值为25μV、1mV、2mV，将V1除以1mV，确定第一衰减器的衰减倍数，将V2分别除以25μV、1mV和2mV，确定第二衰减器的衰减倍数。

8.根据权利要求1所述的专用于医用运动平板校准的信号发生器，其特征在于：所述的波形发生芯片U2的8脚通过输入不同的电压来控制输出波形的幅值，波形发生芯片U2的8脚外接直流稳压电源；医用运动平板校准所需的方波幅值为1mV，调节直流稳压电源，测量接插件J1的2脚的电压，稳定在1mV时，记录直流稳压电源的电压值V3，波形发生芯片U2的8脚的电压由12位数模转换芯片TLV5616提供，根据模拟量V3计算出对应的数字量D1;医用运动平板校准所需的正弦波峰峰值为25μV、1mV、2mV，调节直流稳压电源，通过高精度示波器测量接插件J1的1脚的正弦波的峰峰值，分别记录峰峰值为25μV、1mV、2mV时，直流稳压电源的电压值V4、V5、V6，根据模拟量V4、V5、V6计算出对应的数字量D2、D3、D4；在单片机程序中嵌入数字量D1、D2、D3、D4，通过单片机来控制波形发生芯片U2的8脚的电压，以此来控制波形输出的幅值。