采用EFM32單片機的心電信號發生器的設計

吳玉娟 梁晶 王志剛

引言

心電信號反映的是心臟興奮的產生和傳導以及恢復過程中生物電的變化，在臨床研究上具有重要的意義。隨著各種心電診斷設備的出現，心電圖機、心電監護、動態心電記錄儀等醫療設備的熱銷，人們對心電的研究更加深入。而在研發過程中，從人體采集心電信號作為設備的輸入端存在著一些不便，這時就需要一種可以模擬人體心電信號的設備。本文設計的心電信號發生器，選擇EFM32LG332F64單片機作為主處理器，與PC機配合利用單片機的USB與DAC功能，可以模擬輸出心電信號和一些常用的檢測信號，如正弦波、方波、三角波、常規或異常心電波形。方便了心電設備的研制，同時也給一些科研院所的項目科研或者醫院設備科對設備的日常維護與檢測帶來了方便。

系統結構

該信號發生器主要由三個部分組成，首先由PC機選擇所要輸出的波形以及輸出波形的導聯，通過USB數據線將導聯命令和波形數據包（正弦波、三角波、方波或心電波形）傳輸到主處理器EFM32LG332F64端，然后通過EFM32的DAC模塊，將波形數據轉換為模擬信號輸出到電壓跟隨器1，以提高信號的帶負載能力，再由電壓跟隨器將波形數據輸出到模擬開關電路，最后通過單片機控制模擬開關電路，選擇輸出波形的導聯。系統所需電源由PC機的USB提供，USB數據線提供的5V經過LDO穩壓為3.3V，其中3.3V電壓經過分壓再由電壓跟隨器2跟隨，為RL禾E]LL提供1.65V的基準電壓，其中電壓跟隨器1和電壓跟隨器2為一個雙運放芯片。系統結構框圖如圖1所示。

硬件電路設計

本文所用USB座選擇愛特姆公司的MICRO USB 5P座，該USB座尺寸較小，節省空間，5pin引腳方便與單片機相連接。只需要將USB座的DM與DP引腳連接到單片機的相應USB引腳即可。為了節省資源，整個心電發生器的電源部分，由PC機通過USB數據線和硬件電路中的USB座連接，將其中的5V電通過一個電壓轉換芯片AMS1117轉換成3.3V，為整個硬件電路供電，其中USB IN連接單片機的GPIO口，用來檢測USB和PC機的連接狀態。供電電路如圖2所示。

主處理器EFM32單片機是挪威的Energy Micro最新推出的超低功耗單片機，功耗只有現有同類內核單片機的四分之一，且具有豐富的外設接口。本文選用EFM32LG332F64，具有64K的FLASH和32K的RAM，該型號芯片最大FLASH可以達到256K。EFM32單片機含有2個12位的DAC數模轉換通道，滿足系統的要求。選用TLC2252雙路運算放大器作為電壓跟隨器，其中一路作為DA轉換后的跟隨，以提高信號的帶負載能力，另一路與分壓電路配合搭建成基準電路，為RL和LL提供1.65V的基準電壓，基準電壓電路如圖3所示。模擬開關電路部分選取芯片CD74HC4051PWR，通過單片機的PA0-PA2三個GPIO口控制芯片的通道選擇，實現不同導聯的波形切換輸出。模擬開關部分電路如圖4所不。

軟件設計

該心電信號發生器軟件設計中重要的工作是初始化模塊、導聯切換控制，針對系統各項功能的要求，設置相應的參數使得系統可以穩定地工作。主處理器EFM32LG332F64的初始化，包括對GPIO口的初始化、時鐘的初始化、DA的初始化等等。主處理器EFM32LG332F64通過USB數據線接收PC機發送的波形和導聯命令數據包，并對波形數據進行DA轉換，控制輸出時間。單片機控制模擬開關電路實現輸出導聯波形，從而達到信號模擬的效果。軟件流程圖如圖5所示。總結

系統的主處理器EFM32LG332F64單片機是低功耗、低噪聲、具有Codex-M3內核的32位單片機，其高達48MHz的主頻可以提高系統的性能和運算速度。通過Pc機的數據輸入，EFM32LG332F64單片機完成數據解包、定時發送、導聯切換等功能，實現了不同導聯的心電信號以及檢測波形信號的模擬，由于采用USB供電、EFM32LG332F64內置DAC模塊，本文設計的心電信號發生器具有運算速度快、低功耗、體積小等特點，功能齊全，攜帶方便，對心電信號的研究與心電相關醫療器械的研發具有較大的意義。