CN107224331A - 基于arm系统的手持式心电图机检定仪及检定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于ARM系统的手持式心电图机检定仪，它采用32位ARM芯片作为主控芯片，彩色触摸式液晶屏幕作为人机操作界面，同时具有无线通信和大容量存储功能。检定仪的信号发生器通过DDS算法实现，软件开发基于μC/OS嵌入式操作系统。通过友好的操作界面能够选择各种标准输出波形和相关参数，也可以根据需要自行添加定制波形信号，使得检定工作能够做到直观、便捷、准确。试验表明，该检定仪能够高效、准确的完成心电图机的日常检定。

Description

基于ARM系统的手持式心电图机检定仪及检定方法
技术领域
本发明涉及一种心电图机检定仪，具体涉及一种基于ARM系统的手持式心电图机检定仪。
背景技术
心电图机是把人体心脏搏动所产生的信号转换成微弱电信号，经放大后将信号记录的一种仪器。目前心电图机已经在各类医院得到了广泛的应用，其性能准确与否直接关系到医护人员对病人的诊断，也直接关系到人民的生命健康。为保证诊断的准确可靠，国家把心电图机纳入强制检定范畴。为了确保心电图机计量性能的准确可靠工作，这就需要心电图机检定仪对其进行周期性的技术性能检定。目前国内用于心电图机检定的标准器主要有四种：
1、呼和浩特市铨仪计量技术研究所生产的EGC系列心、脑电图机检定仪；
2、FLUKE的病人模拟器；
3、依据检定规程使用任意波发生器和衰减器组成的检定装置；
4、中国计量院研发的基于虚拟仪器的电生理参数综合检定装置。
其中，任意波发生器和衰减器组合的检定装置，需单独设计皮肤阻抗网络才能用于日常检定；EGC系列心、脑电图机检定仪和基于虚拟仪器的电生理参数综合检定装置虽然是根据检定规程开发，满足国情要求，但是都存在体积较大、不方便携带用于现场检定，更适用于实验室环境操作。国外进口的患者模拟器能输出ECG、血压、呼吸、温度、心输出量等多种非电参数信号，但信号却相对固定，不适应于国内检定规程要求(例如不能检测噪声、极化电压等参数)，仅能用作医院对设备的调试工具，不适用于日常检定的专用设备。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于ARM系统的手持式心电图机检定仪，它采用32位ARM芯片作为主控芯片，彩色触摸式液晶屏幕作为人机操作界面，同时具有无线通信和大容量存储功能。检定仪的信号发生器通过DDS算法实现，软件开发基于μC/OS嵌入式操作系统。通过友好的操作界面能够选择各种标准输出波形和相关参数，也可以根据需要自行添加定制波形信号，使得检定工作能够做到直观、便捷、准确。试验表明，该检定仪能够高效、准确的完成心电图机的日常检定。
本发明的技术方案是：基于ARM系统的手持式心电图机检定仪，其特征在于：包括微处理器控制模块、信号调理模块、模拟皮肤阻抗网络、彩色触摸屏操作界面、电源模块；
所述微处理器控制模块包括信号发生器，输出信号传输至信号调理模块；
所述信号调理模块包含参数可控的多级放大器和衰减器，将信号发生器的输出信号的幅度调理达到指标要求后传输至模拟皮肤阻抗网络；
所述模拟皮肤阻抗网络提供手持式心电图机检定仪检定中所需要的电极阻抗后，将信号传输至输出端子；
所述微处理器控制模块连接控制彩色触摸屏操作界面；
所述电源模块包括大容量锂电池、充电器以及电源转换电路三部分，输出端连接微处理器控制模块、信号调理模块、模拟皮肤阻抗网络和彩色触摸屏操作界面。
进一步的，所述微处理器控制模块采用ST公司的32位ARM处理器芯片STM32F107VC；所述ARM处理器芯片STM32F107VC连接无线通讯模块和SD卡存储模块。可以实现无线通信和大容量数据存储。
进一步的，所述手持式心电图机检定仪检定中所需要的电极阻抗包括模拟皮肤电极阻抗、输入阻抗检定取样阻抗。
进一步的，采用4.3吋，分辨率为272*480的彩色触摸屏操作界面，界面内容和触摸设置被固化在触摸屏的Flash Rom中。
进一步的，所述模拟皮肤阻抗网络表面安装有能够实现开关自动控制的微型继电器。该类继电器具有体积小、低功耗等特点，适合在手持设备上使用。
本发明还提供根据任一所述的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪实现的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪的检定方法，其特征在于：具体步骤如下：开机后通过彩色触摸屏操作界面选择需要使用的功能，微处理器控制模块自动分配相应的功能模块，自动选择相应的信号波形及模拟皮肤阻抗网络并输出到导联电极，同时在彩色触摸屏操作界面上显示相应的数据、波形；通过友好的人机界面，将检定数据输入并存贮至SD卡存储模块；通过设定界面，将参数进行设定、用于仪器的扩充检测。
进一步的，检定结果能够通过电脑或手持终端进行查询并上传至后台服务器；实现远程数据实时上传。后台服务器的数据亦可用电脑、手持终端通过网络进行查询。
进一步的，微处理器控制模块包含信号发生器，所述信号发生器的输出的各种信号波形通过在ARM芯片上运行的数字频率合成DDS算法产生；
所述DDS采用相位累加器，在每个系统时钟周期，调谐字M与相位寄存器中的值相加得到波形数据表的地址，然后根据该地址从波形数据表取出数据并加载到D/A转换器，从而得到所需的信号波形；
其中，DDS产生的波形其频率是可调谐的，调谐公式为：fout＝M*fc/2n，其中：fout为输出频率；M为调谐字；fc为系统时钟，n为相位累加器的位数；通过调谐字M和系统时钟fc调节输出频率。
进一步的，人机交互部分以微处理器控制模块为核心，以彩色触摸屏操作界面为载体；人机界面把检定机型选择作为第一级菜单；同一机型中的各类检定项目选择作为第二级菜单；具体检定项目的设置作为第三级菜单；实施检定时能够根据需要，通过点击按钮选择检定机型、检定项目、设置导联电极以及信号波形的幅值、频率大小；在第三级菜单中，波形幅度和频率参数已按规程设定成默认值，用户只需很少的操作即可完成设备检定。而不必硬记规程条款，人性化的操作界面能够使检定工作更为方便和高效。
进一步的，软件采用基于μC/OS嵌入式操作系统的设计方法。μC/OS是一个多任务的实时操作系统，程序由多个相对独立的任务单元组成，每个任务有自己的优先级，在操作系统的调度下运行。任务之间的通信通过信号量和消息邮箱方式实现。各个任务同时进行编程可使效率大幅提高。
本发明的有益效果是：
1、采用32位ARM芯片作为主控芯片，彩色触摸式液晶屏幕作为人机操作界面，同时具有无线通信和大容量存储功能。
2、检定仪的信号发生器通过DDS算法实现，软件开发基于μC/OS嵌入式操作系统。通过友好的操作界面能够选择各种标准输出波形和相关参数，也可以根据需要自行添加定制波形信号，使得检定工作能够做到直观、便捷、准确。
3、本检定仪为手持式一体化设计，具有体积小、重量轻、人机界面友好直观、操作便捷等特点。
4、仪器供电使用内置锂电池供电，无需外接电源。
5、此外检定仪内置大容量存储器，可以通过无线方式接受特殊病理波形输入存储，也可将检定过程的原始记录数据存储或发送至电脑或手持终端，可大大提高检定工作的效率。试验表明，该检定仪能够高效、准确的完成心电图机的日常检定。
附图说明
图1为检定仪组成结构；
图2为STM32F107VC系统结构；
图3为DDS框架；
图4为DDS算法的程序流程；
图5为信号调理模块的组成架构；
图6为阻抗网络结构；
图7为电源模块结构；
图8为系统任务设计；
图9为信号发生器任务流程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
手持式心电图机检定仪是基于相应国家检定规程而研制的，用于现场检定心电图机的仪器。该检定仪主要由微处理器控制模块、信号发生器、信号调理模块、模拟皮肤阻抗网络、彩色触摸屏操作界面、电源模块、无线通讯模块组成，如图1所示。
微处理器控制模块采用ST公司的ARM处理器芯片STM32F107VC,ARM控制芯片连接无线通信模块和SD卡存储模块，可以实现无线通信和大容量数据存储，ARM控制器在检定仪中的重要功能是作为信号发生器，波形由软件算法产生，通过DAC端口输出。信号调理模块由参数可控的多级放大器和衰减器组成，其作用是使输出信号的幅度达到指标要求。阻抗网络用于提供检定所需要的电极阻抗，如模拟皮肤电极阻抗、输入阻抗检定取样阻抗等。检定仪采用4.3吋，分辨率为272*480的触摸式彩色液晶屏作为人机交互界面，界面内容、触摸设置等被固化在触摸屏的Flash Rom中，ARM控制器通过串口控制触摸屏。检定仪采用锂电池供电，电源模块负责锂电池的充电管理，并为各模块提供所需的电源。
检定仪工作流程是：开机后通过触摸屏选择需要使用的功能，控制核心自动分配相应的功能模块，自动选择相应的信号波形及模拟皮肤阻抗网络并输出到导联电极，同时在屏幕上显示相应的数据、波形。通过友好的人机界面，将检定数据输入并存贮至SD卡。通过设定界面，可将波形、频率、幅值等参数进行设定、用于仪器的扩充检测。检定结果可进行查询也可通过电脑或手持终端等进行查询并上传至后台服务器，实现远程数据实时上传。后台服务器的数据亦可用电脑、手持终端通过网络进行查询。
一、手持式心电图机检定仪的系统设计
ARM控制器
检定仪采用的32位ARM控制器STM32F107VC工作频率为72MHz，能提供90DMIPS的处理性能，芯片包含64k字节SRAM，256k字节Flash存储器，2个12位DAC，2个12位ADC、8个定时器，通信接口包括USART、SPI、CAN、以太网及USB等，手持式心电图机检定仪的系统硬件设计充分地利用了ARM控制器的外设和接口资源来实现设计所需的功能，系统结构如图2所示。
信号发生器
检定仪输出波形的核心是信号发生器，它能够输出正弦波、方波(1:1、占空比可调)、三角波、ECG仿真信号源、标准心率信号源等波形，根据检定规程，精度要求为：
方波、正弦波、三角波、ECG仿真信号源
电压范围：0.1mVP-P～5mVP-P 精度：±0.5％
周期范围：0.01s～10s 精度：±1％
标准心率信号源
心率范围：(20～300)次/min 精度：±1％
周期范围：0.5mVP-P～5mVP-P 精度：±1％
检定仪的各种信号波形通过在ARM芯片上运行的数字频率合成(DDS)算法产生。DDS算法基本架构如图3所示。
DDS的核心是相位累加器，在每个系统时钟周期，调谐字M与相位寄存器中的值相加得到波形数据表的地址，然后根据该地址从波形数据表取出数据并加载到D/A转换器，从而得到所需的信号波形[9]。
DDS产生的波形其频率是可调谐的，调谐公式为：fout＝M*fc/2n，其中：fout为输出频率；M为调谐字；fc为系统时钟，n为相位累加器的位数。一般通过调谐字M和系统时钟fc调节输出频率。DDS算法的程序流程如图4所示。
信号调理模块
DAC输出为幅度为2.5V的单极性信号，而检定仪要求的输出为幅度连续可调节的毫伏级双极型信号，两者之间的转换通过信号调理模块实现。信号调理模块由数字电位器、放大器和衰减器组成，组成架构如图5所示。
图中两个数字电位器都工作在分压器模式，由CPU通过SPI接口控制分压比。其中数字电位器1用来控制波形信号的幅度，数字电位器2用来产生零位电平，单极性的DAC输出信号通过减法器减去零位电平可得到所需的双极性信号。
数字电位器分压输出的信号幅度不宜过小，因为数字电位器的量化误差在小信号时将会影响精度，所以数字电位器调节范围是有限的，其主要作用是在一定范围内的细调。而大比例的幅度调节由后级的放大器和衰减器完成，放大倍数和衰减比被划分为不同档级，由软件控制继电器切换档级。通过上述各环节相互配合，能够让信号满足检定规程中关于幅度精确度的指标要求。
阻抗网络
手持式心电图机检定仪的阻抗网络在设计上需要考虑各类规程的检定项目对于电极阻抗的相关要求，以增强检定仪的适应性。阻抗网络结构如图6所示。
图中Z为620kΩ电阻与4.7nF电容并联的输入阻抗检定取样阻抗，Z1为51kΩ电阻与47nF电容并联的模拟皮肤电极阻抗。阻抗网络针对不同的测试项目设置不同的开关组合。比如在测量输入阻抗时，开关S5断开，S1、S2闭合，S3处于位置“a”，将被检装置的“R”和“L”心电电极与P1和P2连接，其它电极接P6，记录正弦波信号，将S1断开，其它开关位置不变，再次记录正弦波信号，最后按公式算出输入阻抗。在测量耐极化电压时，开关S5断开，S1、S2闭合，S3切换到位置“b”，利用切换开关S4加入+300mV的极化电压并记录波形，然后通过切换切换开关S4加入-300mV的极化电压并记录波形。阻抗网络使用表面安装的微型继电器实现开关自动控制，该类继电器具有体积小、低功耗等特点，适合在手持设备上使用。
彩色触摸屏操作界面
人机交互部分以ARM控制模块为核心，以彩色触摸屏为载体，操作输入和显示都通过它来实现。人机界面把检定机型选择作为第一级菜单；同一机型中的各类检定项目选择作为第二级菜单；具体检定项目的设置作为第三级菜单。实施检定时可根据需要，通过点击按钮选择检定机型、检定项目、设置导联电极以及信号波形的幅值、频率大小。在第三级菜单中，波形幅度和频率等参数已按规程设定成默认值，用户只需很少的操作即可完成设备检定，而不必硬记规程条款，人性化的操作界面能够使检定工作更为方便和高效。
电源模块
检定仪的电源模块为系统各部分提供所需的电能。电源模块由大容量锂电池、充电器以及电源转换电路三部分组成。结构如图7所示。
大容量锂电池能满足仪表在不插电情况下长时间连续工作的需要。充电器采用智能式充电管理，充电电流根据电池电压自动调节，同时具有温度保护及过流保护功能。电源转换电路由升压\降压DC-DC电源转换芯片及相关元器件构成，用于把电池电压转换为系统各模块所需的电源电压。
数据存储和无线通讯功能
手持式心电图机检定仪配置有蓝牙通信模块和SD卡存储模块，可通过无线方式接受特殊病理波形输入存储，也可将检定过程的原始记录数据存储或发送至电脑或手持终端。
蓝牙通信是一种支持设备短距离通信的无线电技术。蓝牙通信模块采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段，数据速率可达1Mbps。ARM控制芯片通过串口与蓝牙模块连接，从而建立与笔记本电脑和智能手机之间的通信。
SD存储卡由于体积小、容量大、数据传输速度快、可热插拔等特性，十分适合在便携式装置上使用。ARM控制芯片通过SPI总线连接SD卡，编程开发使用专门为嵌入式系统设计的通用FAT文件系统模块FatFs，通过它可以方便地在SD存储卡上进行创建文件和目录、写文件以及读取文件等操作。
二、系统软件设计
由于手持式心电图机检定仪系统软件功能较为复杂，为了提高开发效率，软件采用基于μC/OS嵌入式操作系统的设计方法，μC/OS是一个多任务的实时操作系统，程序由多个相对独立的任务单元组成，每个任务有自己的优先级，在操作系统的调度下运行。任务之间的通信通过信号量和消息邮箱方式实现。各个任务同时进行编程可使效率大幅提高。根据仪表功能建立任务如图8所示。
人机界面任务负责根据用户指令启动或终止其它各项任务。信号发生器任务是检定仪的核心任务，程序流程如图9所示。
三、结束语
本发明介绍的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪的设计完全符合JJG749-2007《心、脑电图机检定仪》的要求。该检定仪有如下特点：
1.基于ARM嵌入式开发系统的智能化信号发生器，方便仪器的升级和功能拓展；
2.仪器人机界面采用彩色液晶触摸屏，使得检定过程直观、便捷；
3.具备大容量SD数据存储功能，内置了标准方波、正旋波、三角波、ECG仿真信号等波形，在满足基本检定的要求同时，也可方便操作人员自行添加定制波形信号，丰富了系统的功能。此外也可方便地进行数据查询、数据导出；
4.具有无线通讯功能，可将数据传输至电脑，手持终端以及远程的服务器；
5.整个仪器采用手持化一体设计，锂电池供电。具有重量轻体积小，方便携带，无需使用检测场地的电源即可完成检定；
6.预留扩展端口，方便仪器升级检测多个参数。
手持式心电图机检定仪客服了国内传统检定仪波形固定不方便扩展、体积较大不方便现场操作、国外模拟器不能完全满足国内检定规程的要求等不足。该仪器方便检定员按照国家检定规程要求用于心电图机、心电监护仪、动态心电图机的日常检定和校准，仪器只有A4纸一半大小，方便检定员手持工作和随身携带。为了更好地与临床结合为医院服务，在今后的工作中考虑结合临床添加各种病理波形，建立并完善个性化波形库。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于ARM系统的手持式心电图机检定仪，其特征在于：包括微处理器控制模块、信号调理模块、模拟皮肤阻抗网络、彩色触摸屏操作界面、电源模块；
所述微处理器控制模块包括信号发生器，输出信号传输至信号调理模块；
所述信号调理模块包含参数可控的多级放大器和衰减器，将信号发生器的输出信号的幅度调理达到指标要求后传输至模拟皮肤阻抗网络；
所述模拟皮肤阻抗网络提供手持式心电图机检定仪检定中所需要的电极阻抗后，将信号传输至输出端子；
所述微处理器控制模块连接控制彩色触摸屏操作界面；
所述电源模块包括大容量锂电池、充电器以及电源转换电路三部分，输出端连接微处理器控制模块、信号调理模块、模拟皮肤阻抗网络和彩色触摸屏操作界面。
2.根据权利要去1所述的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪，其特征在于：所述微处理器控制模块采用ST公司的32位ARM处理器芯片STM32F107VC；所述ARM处理器芯片STM32F107VC连接无线通讯模块和SD卡存储模块。
3.根据权利要去1所述的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪，其特征在于：所述手持式心电图机检定仪检定中所需要的电极阻抗包括模拟皮肤电极阻抗、输入阻抗检定取样阻抗。
4.根据权利要去1所述的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪，其特征在于：采用4.3吋，分辨率为272*480的彩色触摸屏操作界面，界面内容和触摸设置被固化在触摸屏的Flash Rom中。
5.根据权利要去1所述的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪，其特征在于：所述模拟皮肤阻抗网络表面安装有能够实现开关自动控制的微型继电器。
6.根据权利要求1-5任一所述的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪实现的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪的检定方法，其特征在于：具体步骤如下：开机后通过彩色触摸屏操作界面选择需要使用的功能，微处理器控制模块自动分配相应的功能模块，自动选择相应的信号波形及模拟皮肤阻抗网络并输出到导联电极，同时在彩色触摸屏操作界面上显示相应的数据、波形；通过友好的人机界面，将检定数据输入并存贮至SD卡存储模块；通过设定界面，将参数进行设定、用于仪器的扩充检测。
7.根据权利要去6所述的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪的检定方法，其特征在于：检定结果能够通过电脑或手持终端进行查询并上传至后台服务器；后台服务器的数据亦可用电脑、手持终端通过网络进行查询。
8.根据权利要去6所述的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪的检定方法，其特征在于：微处理器控制模块包含信号发生器，所述信号发生器的输出的各种信号波形通过在ARM芯片上运行的数字频率合成DDS算法产生；
所述DDS采用相位累加器，在每个系统时钟周期，调谐字M与相位寄存器中的值相加得到波形数据表的地址，然后根据该地址从波形数据表取出数据并加载到D/A转换器，从而得到所需的信号波形；
其中，DDS产生的波形其频率是可调谐的，调谐公式为：fout＝M*fc/2n，其中：fout为输出频率；M为调谐字；fc为系统时钟，n为相位累加器的位数；通过调谐字M和系统时钟fc调节输出频率。
9.根据权利要去6所述的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪的检定方法，其特征在于：人机交互部分以微处理器控制模块为核心，以彩色触摸屏操作界面为载体；人机界面把检定机型选择作为第一级菜单；同一机型中的各类检定项目选择作为第二级菜单；具体检定项目的设置作为第三级菜单；实施检定时能够根据需要，通过点击按钮选择检定机型、检定项目、设置导联电极以及信号波形的幅值、频率大小；在第三级菜单中，波形幅度和频率参数已按规程设定成默认值，用户只需很少的操作即可完成设备检定。
10.根据权利要去6所述的基于ARM系统的手持式心电图机检定仪的检定方法，其特征在于：软件采用基于μC/OS嵌入式操作系统的设计方法。
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