0 引言
隨著現在社會的發展，人們也日益開始關注健康事業的發展，對醫學技術的要求也越來越高。現實中很多病例無法通過現實病例學習，更多的醫生培養只能通過模擬設備進行，心電波形模擬波形發生系統的設計就是其中一個例子。
心電模擬發生系統使用4種不同頻率的標準心電波形及用于測試的方波、鋸齒波、三角波和正弦波，通過算法擬合出病人的34種異常心電波形(包括成人和兒童的)，各周期波形可采用插入不同的延時子程序來實現。提取醫院病人的異常心電波形，通過擬合的方法可以模擬和轉換除顫后的正常波形，依據此方法設計出一個心電信號發生系統，系統可以采集、模擬任意導聯心電信號，并將結果存儲到心電數據庫供研究分析使用。最后設計出一種用微控制器和波形輸出以及鍵盤轉換電路構成的心電模擬波形發生器。
1 系統設計
心電模擬波形系統主要以ARM9處理單元為核心，另外還有高壓除顫采集電路、D／A轉換模塊、波形輸出電路、鍵盤接口電路與監護儀信號匹配以及應用程序的設計等幾個部分。
ARM微處理器是一種高性能、低功耗的32位微處器，它被廣泛應用于嵌入式系統中。ARM9代表了ARM公司主流的處理器，已經在手持電話、機頂盒、數碼像機、GPS、個人數字助理以及因特網設備等方面有了廣泛的應用。
本系統采用的ARM9嵌入式開發平臺，主要利用ARM9豐富的I／O資源和快速處理的強大功能。ARM9處理器的主要結構及其特點如下：
(1)32 b定點RISC處理器，改進型ARM／Thumb代碼交織，增強性乘法器設計。支持實時(real-TIme)調試。
(2)片內指令和數據SRAM，而且指令和數據的存儲器容量可調。
(3)片內指令和數據高速緩沖器(cache)容量從4 KB～1 MB。
(4)設置保護單元(protcction unit)，非常適合嵌入式應用中對存儲器進行分段和保護。
(5)采用AMBA AHB總線接口，為外設提供統一的地址和數據總線。
(6)支持外部協處理器，指令和數據總線有簡單的握手信令支持。
(7)支持標準基本邏輯單元掃描測試方法學，而且支持BIST(built-in-self-test)。
(8)支持嵌入式跟蹤宏單元，支持實時跟蹤指令和數據。
新一代的ARM9處理器通過全新的設計，采用更多的晶體管，能夠達到高于ARM7處理器兩倍以上的處理能力。這種處理能力的提高是通過增加時鐘頻率和減少指令執行周期實現的。
2 硬件電路和原理
該部分主要分為ARM9硬件平臺、D／A轉換、波形輸出電路、信號的采集以及右腳驅動電路的共模負反饋電路。系統在ARM9處理單元的控制下，D／A轉換電路把波形數據轉換為模擬量進行輸出。當接收到高壓除顫信號后，處理器就會把異常心電波形采集轉換成為正常的心電波形圖。
系統硬件連接圖如圖1所示。
2．1 D／A轉換原理
心電模擬信號就必須通過采樣量化為數字量并將其存儲在數據存儲器內，供軟件進行分析使用。這個過程必須通過AD轉換器來實現。有數字量轉化為模擬量的D／A轉換模式：
(1)采用D／A轉換芯片；
(2)采用PWM方式，即脈寬調制；
(3)采用f-v方式，即頻率電壓轉換。
通過對心電圖信號波形的分析可知，波形變化周期大約是1 s，因此采用頻率電壓轉換方式已經具備足夠的數模轉換精度，頻率轉換指標也滿足要求，而且該方式所用硬件少，一般都是用軟件來實現的。
該部分是系統的核心，為了實現數字系統對這些電模擬量進行檢測、運算和控制，需要一個模擬量與數字量之間的相互轉換的過程，即常常需要將數字量轉換成模擬量，簡稱D／A轉換，完成這種轉換的電路為數模轉換器(Digital to Analog Converter，DAC)。
為了保證系統的穩定和信號的要求，D／A轉換芯片采用8位并行的DAC0832芯片，由12 V單電源供電，每個DAC有各自獨立的基準輸入。 DAC0832芯片結構框圖如圖2所示。
2 系統硬件部分設計
該部分主要分為ARM9硬件平臺、D／A轉換、濾波電路、高壓除顫信號的采集，其系統硬件連接圖如圖2所示。系統在ARM9的控制下，由D／A轉換把波形數據轉換為模擬量進行輸出。當接收到高壓采集信號后，處理器就會轉換輸出另一種心電波形圖。
2．1 D／A轉換和電阻衰減網絡
該 部分是系統的核心，為了保證系統的穩定和ECG信號的要求，D／A轉換芯片采用8位并行的DAC0832芯片，由12 V單電源供電，每個DAC有各自獨立的基準輸入，對ARM9提供的數據進行變換，輸出部分采用4階巴特沃斯濾波，輸出的波形經衰減后得到所要求的心電信 號，經有源濾波后輸出波形的峰值可達到10 V，通過電阻分壓網絡得到0～5 mV的電壓輸出范圍。考慮到要采用三路D／A，如果每一路獨占8個I／O端口，再加上若干控制端口，處理器提供的I／O端口數遠不能滿足要求，所以計劃采 用共用數據端口，外接I／O口片選的方式來實現，這樣可以節約16個I／O口，也滿足了信號輸出同步性的要求。
2．2 高壓信號采集電路設計
該部分采集除顫器上的高壓放電信號，由于高壓除顫信號具有的放電電流具有雙向性，且放電時間只有4 ms，瞬態電壓可達到3 000 V，所以在安全性能上要充分考慮。該部分電路圖如圖3所示。
電路中采用大功率電阻和瞬態抑制二極管對高壓放電信號進行預處理，將高壓信號降低到比較小的范圍，通過整流電路把電流變為單向流動，然后通過光耦隔離輸入到ARM9的I／O口中，起到保護處理器的作用。
3 軟件設計
系統的硬件為基本功能和擴展功能的實現奠定了牢固的基礎，軟件系統的設計就是要充分利用硬件平臺的資源，實現軟件操作的有序運行。
軟件開發工作涉及到以下兩個方面：接口驅動程序的修改和完善；應用層軟件的開發。應用層的程序全部用C++開發完成的。
圖4是整個系統的軟件模塊結構圖。
3．1 D／A驅動程序和高壓信號采集驅動部分
設 備驅動程序是操作系統內核和機器硬件之間的接口。設備驅動程序為應用程序屏蔽了硬件的細節，這樣在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程 序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作，以往在開發應用程序時都有一個main函數作為程序的入口點，而在驅動開發時卻沒有main函數，模塊在調 用insmod命令時被加載，此時的入口點是init module函數，通常在該函數中完成沒備的注冊。同樣，模塊在調用rmmod函數時被卸載，此時的入口點是cleanup module函數，在該函數中完成設備的卸載。在設備完成注冊加載之后，用戶的應用程序就可以對該設備進行一定的操作，如read，write等，而驅動 程序就是用于實現這些操作，在用戶應用程序調用相應入口函數時執行相關的操作，init roodule入口點函數則不需要完成其他如read，write之類功能。
驅動程序主要函數如下：
3．2 系統應用程序設計與實現
該 系統的應用程序是基于Qt／Embedded設計的，目前使用的嵌入式GUI系統存在 Microwindows，MiniGUI，Qt／Embedded，Qt／Embedded延續了Qt的強大功能，可以運行在多種不同的處理器上部署的 嵌入式Linux操作系統。Qt／Embedded提供了信號和插槽的編程機制，該部分采用的Qt是一個創建GUI程序的C++類庫，編寫Qt應用程序的 主要工作是基于已有的Qt類編寫用戶類。該部分主要分為波形界面的實現和用戶按鍵控制的實現，波形顯示采用Qt的函數類庫Qpainter，由于波形界面 顯示兩路心電波形，會產生延遲效果，所以引入了多線程機制協調，Qt支持多線程，有獨立于平臺的線程類，線程安全方式的時間傳遞和一個全局Qt庫互斥量允 許不同的線程調用Qt方法。
4 結語
本系統設計采用三星2440嵌入式處理器作為核心搭建了硬件平臺，并采用嵌入式Linux操作系統并結合外圍的D／A轉換部分、與監護儀匹配網絡、高 壓信號采集部分、應用程序控制部分等實現了心電除顫模擬發生系統的設計。該系統可以很好地模擬醫學除顫的過程，并可以與醫用監護儀相連接，輸出符合醫學標 準的34種常見異常心率波形，由于系統使用嵌入式實時多任務操作系統，因此該設計具有很高的實時性、穩定性和可靠性。
