[转发]标准心电模拟波形发生器制作

标准心电模拟波形发生器制作

心电模拟波形发生器是一种常用的低频信号源，广泛应用于医疗仪器维修、测试、演示和教学实验等领域。而目前使用的心电模拟波形发生器，大部分是进口的，价格昂贵，而国内生产的大都由分立元件组成，其体积大，功能少。为了医疗仪器维修工作的需要，我们设计了一种用AT89C51单片机和数模转换器等器件构成的心电模拟波形发生器，作为替代品。它可产生4种不同频率的标准心电模拟波及用于测试用的方波、锯齿波、三角波、正弦波。
1 电图波形参数的分析 心电图是从体表纪录的心脏电位变化曲线，它反映出心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电位变化。其频率在0-100Hz之间。
(1)心电图典型波形 心电图波形是由不同的英文字母统一命名，正常心电图由一个P波、一个QRS波群和T波组成。它的持续时间分为P-R间期、QRS间期、S-T段、P-R段。
(2)正常人的心电图典型值[1]P波为0.2rev：Q波为0.1mV；R波为0.5mV-1.5reV；S波为0.2rev；T波为0.1mV-0.5mV。P-R间期为0.12s-0.2s；QRS间期为0.06s-0.18；S-T段为0.12s-0.16s；P-R段为0.04s-0.8s。
总之，分析心电图的波形构成，可知心电图的波形都属于低频信号，而且用于测试用的方波、锯齿波、三角波、正弦波也要求是低频信号。因此现选择4个不同心律的标准心电波形作为信号源，模拟输出I、Ⅱ、Ⅲ、aVR、aVL、aVF、V1心电信号，心率分别为30bpm、60bpm、90bpm、120bpm。方波、锯齿波、三角波、正弦波频率都选择1Hz，幅值为lmV(心电图机处在导联Ⅱ测试状态)。
2 硬件电路和原理 心电波形模拟发生器电路主要由单片机AT89C51、D／A转换电路AD558、+9V电池、1317805和8位转换开关等元件组成。
(1)单片机系统 本电路采用AT89C51芯片，是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，内有4K字节Flash可编可擦除只读程序存储器。故本电路不需外接存储器。时钟选择11.567M，用一个10K电阻和一个10p,电解电容组成复位电路。
(2)D／A转换电路 AD558芯片是8位D／A转换器，片内含有输出运算放大器，高精度参考电源，把芯片14脚和15脚连接，16脚电压输出量程为0V~2.56V，对应输入数字量为00H-FFH。把芯片9脚CE接单片机的WR脚，10脚片选CS与102.7相连，AD558数据输入口地址为7FFFH。心电模拟波的产生是通过AT89C51执行某一段波形发生程序，向D／A(数模)转换器的输入端，按一定的规律发送数据，从而在D／A转换电路的输出端Vout得到相应的波形。
(3)波形输出电路 用几个电阻组成一个导联输出电路，连接IA、RA、LL、RL、C心电电极。R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7电阻阻值根据VⅡ=V I十VⅢ；V I=VL-VR；VⅡ=VF-VR；VⅢ=VF-VL(VL、VR、VF分别表示左上肢、右上肢、左下肢的电位值)公式计算得出。R7为可调电阻，用来调整波形幅度。
(4)键盘接口电路 本电路用一个8位转换开关(KO)与AT89C51的P1口连接，转换开关(KO)公共端接地，其余端分别接P1口8个端脚连接。采用查询编程方式，通过软件编程来选择不同波形。由于89C51的P1口内部有上拉电阻，因此不必在外部设置上拉电阻。
(5)电源电路 采用+9V电池供电，用稳压块LM7805L产生+5V电压。
3 系统软件设计 系统软件由主程序和产生各种波形的子程序组成，软件设计主要是对产生各种波形的子程序编程来得到各种波形。而各种波形周期可采用插入不同的延时子程序来实现。
(1)主程序(ECGMAIN) 本电路采用的是独立式键盘，在程序上用查询方式进行编程，因此在主程序设计中只包含键查询、键功能程序转移部分。PGO-PG7为功能程序入口地址标号，PROM0~PROM7分别为每个键(选择的波形)功能程序。PROM0是心律为30bpm标准模拟心电波程序，PROMl是心律为60bpm标准模拟心电波程声，PROM2是心律为90bpm标准模拟心电波程序，PROM3是心律为120bpm标准模拟心电波程序，PROM4频率为IHz方波程序，PROM5是频率为1Hz锯齿波程序，PROM6是频率为1Hz三角波程序，PROM7是频率为IHz正弦波程序。
(2)产生模拟心电波程序(PROM0~PROM3程序)设计的4个标准模拟心电波从P波起点到T波的终点的波形是相同，T波的终点到P波的起点基线时间长短不同；这段基线间期的改变决定不同的心率。所以设计程序时，把从P波起点到T波的终点的波形作为子程序设计(PQRST子程芋)，再设计不同的延时程序来得到不同心律的模拟心电波形。
PQRST子程序设计，取电压最小数值为0V，设定心电波基线为1.253V，最大幅值为2.56V，把心电波一个周期内电压变化的幅值按8位分辨率分为256个数值列成表格，使用查表指令以一定规律将这些数字量送人AD558进行D／A转换输出，就能产生所需波形。
(3)方波(PROM4)程序 把一个恒定数字量和00H数字量按一定规律分别送人进行D／A转换输出得到波形，采用插入延时指令改变波形周期。
(4)锯齿波(PROM5)程序 锯齿波由线性上升段构成，把锯齿波周期内电压变化的幅值对应的数字量，按一定规律进行D／A转换输出，就能产生所需波形。
(5)三角波(PROM6)程序 三角波由线性上升段和线性下降段组成，同样把三角波周期内电压变化的幅值对应的数字量，按一定规律进行D／A转换输出，就能产生三角波波形。
(6)正弦波(PROM7)程序 把一个正弦波周期划分成4个象限，每一个象限位900，以每间隔50一个数字量，一个象限有19个数字量，通过查表程序依次送人D／A转换后输出，得到相应的正弦波。
4 讨论 在设计调试过程中发现仪器功能还可以根据需要进行扩展，如把键盘电路改进，增加按键数目，就能增添一些典型心电异常波形的输出，供教学演示；更换和增添一些器件，可把12导联心电波的胸导联部分(V1、V2、V3、V4、V5、V6)模拟的更标准，较好地用于测量和维修生理监护仪及心电图机等。(作者：刘曼芳 许明强)