基于ARM9的心电模拟波形发生系统的设计

0 引言

　　随着现在社会的发展，人们也日益开始关注健康事业的发展，对医学技术的要求也越来越高。现实中很多病例无法通过现实病例学习，更多的医生培养只能通过模拟设备进行，心电波形模拟波形发生系统的设计就是其中一个例子。

　　心电模拟发生系统使用4种不同频率的标准心电波形及用于测试的方波、锯齿波、三角波和正弦波，通过算法拟合出病人的34种异常心电波形(包括成人和儿童的)，各周期波形可采用插入不同的延时子程序来实现。提取医院病人的异常心电波形，通过拟合的方法可以模拟和转换除颤后的正常波形，依据此方法设计出一个心电信号发生系统，系统可以采集、模拟任意导联心电信号，并将结果存储到心电数据库供研究分析使用。最后设计出一种用微控制器和波形输出以及键盘转换电路构成的心电模拟波形发生器。

1 系统设计

　　心电模拟波形系统主要以ARM9处理单元为核心，另外还有高压除颤采集电路、D／A转换模块、波形输出电路、键盘接口电路与监护仪信号匹配以及应用程序的设计等几个部分。

　　ARM微处理器是一种高性能、低功耗的32位微处器，它被广泛应用于嵌入式系统中。ARM9代表了ARM公司主流的处理器，已经在手持电话、机顶盒、数码像机、GPS、个人数字助理以及因特网设备等方面有了广泛的应用。

　　本系统采用的ARM9嵌入式开发平台，主要利用ARM9丰富的I／O资源和快速处理的强大功能。ARM9处理器的主要结构及其特点如下：

　　(1)32 b定点RISC处理器，改进型ARM／Thumb代码交织，增强性乘法器设计。支持实时(real-TIme)调试。

　　(2)片内指令和数据SRAM，而且指令和数据的存储器容量可调。

　　(3)片内指令和数据高速缓冲器(cache)容量从4 KB～1 MB。

　　(4)设置保护单元(protcction unit)，非常适合嵌入式应用中对存储器进行分段和保护。

　　(5)采用AMBA AHB总线接口，为外设提供统一的地址和数据总线。

　　(6)支持外部协处理器，指令和数据总线有简单的握手信令支持。

　　(7)支持标准基本逻辑单元扫描测试方法学，而且支持BIST(built-in-self-test)。

　　(8)支持嵌入式跟踪宏单元，支持实时跟踪指令和数据。

　　新一代的ARM9处理器通过全新的设计，采用更多的晶体管，能够达到高于ARM7处理器两倍以上的处理能力。这种处理能力的提高是通过增加时钟频率和减少指令执行周期实现的。

2 硬件电路和原理

　　该部分主要分为ARM9硬件平台、D／A转换、波形输出电路、信号的采集以及右脚驱动电路的共模负反馈电路。系统在ARM9处理单元的控制下，D／A转换电路把波形数据转换为模拟量进行输出。当接收到高压除颤信号后，处理器就会把异常心电波形采集转换成为正常的心电波形图。

　　系统硬件连接图如图1所示。

　　2．1 D／A转换原理

　　心电模拟信号就必须通过采样量化为数字量并将其存储在数据存储器内，供软件进行分析使用。这个过程必须通过AD转换器来实现。有数字量转化为模拟量的D／A转换模式：

　　(1)采用D／A转换芯片；

　　(2)采用PWM方式，即脉宽调制；

　　(3)采用f-v方式，即频率电压转换。

　　通过对心电图信号波形的分析可知，波形变化周期大约是1 s，因此采用频率电压转换方式已经具备足够的数模转换精度，频率转换指标也满足要求，而且该方式所用硬件少，一般都是用软件来实现的。

　　该部分是系统的核心，为了实现数字系统对这些电模拟量进行检测、运算和控制，需要一个模拟量与数字量之间的相互转换的过程，即常常需要将数字量转换成模拟量，简称D／A转换，完成这种转换的电路为数模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)。

　　为了保证系统的稳定和信号的要求，D／A转换芯片采用8位并行的DAC0832芯片，由12 V单电源供电，每个DAC有各自独立的基准输入。  DAC0832芯片结构框图如图2所示。