基于PWM的醫療器械報警聲音播放平臺設計

毛元龍，侯小飛，李正，吳慶偉，肖小兵，鮑勝文，牛占云

（1.河南駝人醫療器械研究院有限公司，河南長垣，453400；2.河南省醫用高分子材料技術與應用重點實驗室，河南長垣，453400）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的高速發展、人們對健康重視程度的逐漸增高，以及“健康中國”戰略、新醫改、進口替代、產業升級等因素的影響下[1-2]，以創新為驅動力的醫療器械行業，逐漸成為我國高新技術產業的生力軍，具有市場潛力巨大、市場競爭日趨激烈、產品向數字化智能化發展的特點[3]。

醫療器械關乎于人們的身體健康，需要具有更高的質量標準。為更好的規范醫療器械市場，使醫療器械產業更好的發展，國家相關部門陸續出臺了醫療器械各方面的標準要求，確保市面上流通的醫療器械具有高質量、高水平，能夠切實保障人們的身體健康[4]。因此，根據標準要求，大部分有源醫療器械，都需要具備一定的聽覺報警功能。

1 平臺設計基礎

■1.1 標準解讀

根據目前正在實施的YY 0709-2009《醫用電氣設備第1-8部分：安全通用要求》中，第201.3.3節“聽覺報警信號”部分所要求，正常使用時不會時刻引起操作者注意的醫療器械，當進入中優先級及以上報警狀態時，應發出聽覺報警信號，以便操作人員能快速意識到，并識別出突發事件的緊急程度，以便及時采取有效措施。為此，報警聲音應清晰、易分辨，不被環境噪聲干擾。在標準中，還規定了報警聲音應具備的頻域特性和時域特征，如表1所示[5-6]。

表1 聽覺報警信號脈沖的特征

按照標準要求，大部分有源醫療器械都必須具備一定的聲音報警功能。普通的有源蜂鳴器雖然驅動簡單、使用方便，但是聲調簡單，只能夠發出一個固定的音色，無法調節輸出波形，不滿足標準要求，在醫療器械送檢時難以通過音頻測試。因此，目前多采用揚聲器來播放報警聲音。

揚聲器又稱喇叭，可以將依據音頻文件產生的音頻電能，通過電磁、壓電或靜電效應，轉換成揚聲器紙盆或膜片震動的機械能，并通過膜片和周圍空氣共振從而發出音頻聲音。

■1.2 理論依據

在采樣控制理論中，有一個重要的結論[7-8]：“沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同”。其中，效果基本相同，是指輸出的波形形狀基本相同，即窄脈沖在低頻段非常接近，可以視為相同，僅在高頻段存在差異。

根據這一原理，我們可以控制單片機，輸出一系列幅值相等、占空比隨PCM數據大小變化的PWM（Pulse width modulation，脈沖寬度調試）信號，該信號各個脈沖和PCM數據對應的原信號等分部分面積成等比例關系。隨后再對PWM信號進行低通濾波，濾除存在差異的高頻段。根據奈奎斯特采樣理論，標準中要求的4000Hz頻率，遠小于常用的計算機聲卡采樣頻率44.1kHz，因此可視為正確重構了原聲音信號。再經功率放大，即可驅動揚聲器播放報警聲音。

■1.3 音頻文件處理

目前常用的音頻文件分為聲音文件、模塊文件和MIDI文件三類。在此，我們選取聲音文件中的WAV格式作為報警音頻存儲格式[9]。相比于其他的MP3、MIDI、RA等格式，WAV未采用任何壓縮技術，直接存儲經AD轉換得到的聲音采樣數據；可以很方便的讀出數據，繪制信號波形、頻譜，進行時域、頻域分析，添加諧波分量，最終合成為符合YY 0709要求的聲音波形。

WAV格式，由微軟公司開發，由若干個塊（Chunk）組成，分別為RIFF WAVE 塊、 Format 塊、 Fact 塊(可選)和Data 塊，其中除Data塊外均有固定的長度[10]。音頻文件預處理時，用WinHex軟件打開格式的目標文件，選取Data塊的第一個數據（如圖1中光標選中位置），設為選塊起始位置，選取Data塊的最后一個數據，設為選塊尾部，然后左鍵點擊編輯欄中的全部復制，選擇復制到C源碼，便將WAV文件中的PCM數據復制到了剪切板。在單片機程序編輯軟件中，選擇粘貼剪切板內容，即可將上一步所復制的PCM數據存儲到一個大數組中，可以通過指針，在隨后的編譯中依次讀取各個數據[11]。

圖1 WinHex生成PCM數組

■1.4 PWM波形產生

PWM信號，本質上是由幅值、周期相同，占空比規律變化的矩形脈沖構成。因此，我們可以利用定時中斷原理，啟用兩個單片機定時器中斷來分別控制輸出波形從高電平到低電平的躍變和從低電平到高電平的躍變，從而實現PWM波的生成。

單片機工作時，首先完成時鐘設置、GPIO口設置、定時器1和定時器2初始化設置；然后依據內部程序命令，進入PWM波生成子程序。在子程序中，MCU根據音頻文件的采樣頻率定時，并依次輸出上一步所生成的PCM數據中的16進制的數據到TIM的捕獲存儲器，從而改變輸出波形的占空比，進而產生一系列隨幅值相同（為單片機額定高電平）、周期相同（音頻文件采樣周期）、占空比規律變化（PCM數據變化規律）的PWM波[12-13]。

2 平臺實現

■2.1 平臺總體設計

平臺主要由單片機模塊、低通濾波模塊、D類功放模塊和揚聲器組成。單片機根據PCM數據，輸出PWM信號；低通濾波模塊將PWM信號還原為原音頻相似信號；功放模塊放大驅動電流；最后揚聲器播放報警聲音。具體電路圖如圖2所示。

■2.2 低通濾波電路設計

在系統設計中，PWM信號經低通濾波后，還會經放大器進行功率放大，因此可以不考慮濾波電路帶負載能力，只求通頻帶內信號最好，故選用RC低通濾波電路[14]。

圖2 平臺電路圖

按照標準規定，報警聲音在300～4000Hz之間應有至少4個諧波分量，因此低通濾波電路的截止頻率應在4000Hz以上。

隨著濾波器階數的增加，過渡帶也會隨之變窄，變化更加迅速，但是增加濾波階數，也會增加成本和結構復雜性，以及后期調試的困難程度[15]。具體設計時要結合濾波指標要求綜合考慮，此處我們選取二階濾波電路進行低通濾波，如圖2中的R1和C2、R2和C3。不同階數的低通濾波器伯德圖如圖3所示（選用通頻帶最平坦、過渡帶最窄的巴特沃斯濾波器模型仿真，截止頻率定位5000Hz[16]）。

圖3 1～5階巴特沃斯低通濾波器伯德圖

■2.3 D類功放模塊設計

在圖2平臺電路圖中，除低通濾波電路以外，為音頻功放模塊。常用的放大電路，有A、B、AB、D等類型，此設計中為保證信號放大后失真最小，同時電路效率最高，選用D類功放。圖2中的U3即為常用的8引腳D類功放；其中，2引腳“BYPASS”提供芯片的基準電壓，3、4引腳為芯片內部比較器的輸入端，外接的阻容（R9和C9、R8和C7）電路，可作為耦合電容，連接語音芯片輸出級和功放模塊輸入級，同時作為高通濾波器，濾除功放模塊輸入信號150Hz以下低頻部分。

3 平臺仿真驗證

對于該設計，我們采用了Multisim進行仿真驗證。首先，利用MATLAB將PCM數據轉換為PWM信號高低電平轉折點的時間和對應的電壓值，以便在Multisim中使用分段線性電壓源生成PWM波；再調用電阻電容搭建低通濾波網絡；最后采用瞬態分析，以1μs的步進進行仿真。具體結果如圖4和圖5所示。

圖4 PWM信號經二階低通濾波后局部圖形

由圖5可知，經過低通濾波后，PWM信號可以還原成原音頻信號，雖然有輕微的相移，但是實際測試中仍在誤差允許范圍之內；然后再經過功率放大，即可驅動不同的揚聲器播放報警聲音。

圖5 PWM信號經二階低通濾波后整體圖形

4 結束語

本文詳細介紹了一種基于PWM的醫療器械報警聲音播放平臺設計。該平臺可以播放任意音頻，滿足我國醫療器械強制標準中的聽覺報警要求；可以搭配各種單片機，只要單片機時鐘頻率滿足定時器需求；可以僅使用一個IO口產生PWM信號，利用單片機自帶的PWM產生功能或者自己編寫程序生成PWM信號；可以對生成的PWM信號進行低通濾波和功率放大，來驅動任意型號揚聲器播放想要的報警聲音。該平臺硬件電路簡單，軟件邏輯強，可以播放任意音頻文件，具有性價比高、調試簡單、性能穩定、設計靈活、任意移植的特點。