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基于STM32高性能的双通道医学信号发生器的研制

陈龙聪, 刘改琴, 高斌, 陈萍, 熊兴良

法医学与生物医学信息实验室，重庆医科大学，重庆 中国

光电信息学院，重庆理工大学，重庆 中国

邮箱: xxlsober@sina.com

摘要：本文介绍了一种基于STM32，高度集成且带有LCD的开放式高性能医用信号仪。该仪器是由微型计算机STM32F103RD和一些集成芯片（IC）组成，其中包括具有高频率精度和位相差精度的可编程波形发生器-AD9833。该信号发生器不仅可以在控制频率在同一时间相位的情况下输出双通道正弦波，方波或三角波，也可以输出许多种通过USB连接调制的生理信号。因此，可以很方便地测量和讲授有关人耳的频率特性和人体的阻抗特性等方面的研究和学习。此外，在大学和医学物理实验中，它也很容易在不同频率、相位差和方向下使用双通道正弦信号合成两个简单的谐波振动,如节拍模式和利萨数字。因此，它有许多优点，如小体积，性能稳定，操作简单，可视显示器等，可以广泛用于研究，教学，调试和维护等。

关键词：STM32F103RD；数控；AD9833；信号发生器

1.引言

在许多研究，试验，医疗设备和其他设备的维修或调试，经典的或异常的生理信号，如心电图，脑电图，脉波和呼吸波信号的调试，往往需要输入模拟心电、脑电等标准或异常的生理信号。此外，对人耳频率特性和人体阻抗特性的研究和教学中，需要高频率精度、高驱动能力、高纯度的正弦信号。在各大院校的物理等相关教学中，经常会演示或实验两简谐振动不同情况下的合成波形，这对于医学生来说，理解生理信号的频谱分析有着及其重要的意义，如拍频、李萨如图形等。目前许多医学信号发生器或信号产生仪器无法满足要求。虽然，许多医疗信号发生器可能输出常见的生理信号，且其波形一般是固定的，没有常用的常信号如正弦、三角和方波等，且输出驱动能力非常有限。反过来，常用的非医用信号信号发生器只能输出一般常用的正弦、三角波和方波等，但没有生理信号的输出。基于此，笔者研制出一种“基于STM32高性能的双通道医学信号发生器”，很好地克服上述不足，可广泛用于科研、实验教学和医学仪器的调试和维修等

2.仪器设计

仪器的设计包括两个方面，硬件和软件。期中硬件被划分为11单位：微处理器，双通道信号发生器，存储器，双通道滤波器，以及信号选择器，增益调节器，振幅检测器，功率放大器，键盘，液晶和电源。仪器块图进行示于图1。

图1.原理框图

本仪器主要是基于微控制器和高性能的集成芯片，如STM32- F103RD，AD9833，K9W5608U1M，这不仅可以增加其智能，精密，稳定性，同时可以降低功耗和缩小体积。发生器的实现，包括以下方面：一方面，利用STM32F103RD内带的两道12位D／A转换、外部存储器中读取信号数据和外部数字滤波等实现产生两道各种正常、异常的生理信号以及一些其它的特殊信号，并送入模拟开关供选择。同时，利用单片机内带USB引擎经USB接口和电脑通讯，实现生理信号或其它信号的增减或修改等。另一方面，利用单片机控制两片AD9833产生频率和位相可数控的两道正弦、三角或方波信号，也同时送入模拟开关供选择。单片机根据用户输入信息通过模拟开关，从四道信号中选择两道输出，并经信号放大、功率放大等处理后从输出端El输出。另外，该仪器利用192times;64图形点阵液晶LCD直观地显示输出信号的类型、幅度、频率、当前状态等相关信息，并通过按键可简便地输入各种信息或改变各种设置。十份硬件有效地保证实现输出双信道医疗和一般的信号的功能。

本仪器的软件采用Keil uVision3进行编译的STM32F103RD设计。

下面，我们主要描述该仪器硬件和软件的六个单位。

2.1.主要硬件

此仪器的重要和关键的单位是微处理器单元，双通道信号发生器单元，存储单元，双通道过滤单元，信号选择单元和功放单元。因此，我们只描述这六个单位的详细信息。

1）微控制器单元

微控制器单元 - 主要由32位单片机STM32F103RD和相应的外围元件构成。它是一个单芯片微控制器，一个基于Cortex-M3 CPU的高性能32位ARM，最高可以工作在72 MHz的频率上，具有USB 2.0和五个USART接口，并拥有12通道DMA控制器，3times;12位和1微秒A / D转换器，2times;12位384K字节Flash程序存储器的D/A转换器，64K字节的SRAM存储器，一个看门狗定时器。通过使用集成在STM32F103RD两个12位DAC和产 生的生理和特殊信号的种种两个片上ADC被用来衡量输出信号的振幅。总之，STM32F103RD发挥重要作用，并控制其它部分来实现在此仪器的数据交换和相应的功能。

2）双通道信号发生器单元

此单元的基本目标是数字控制的频率和相位差异，产生双通道三式通用信号。并且这个功能是非常容易表现出不同的频率，相位差和方向下的两个简谐振动的合成，如拍频、李萨如图形等的合成。在这个单元中，AD9833，可编程波形发生器两片，被选择为产生单频正弦信号，用于测量人体阻抗特性等功能。 AD9833，其功能框图在图2中，是一个低功率的，可编程能够产生正弦波，三角波和方波输出的波形发生器。频率，相位和输出信号波形的软件编程，调整简单，不需要任何外部元件。

图2. AD9833的功能框图

频率寄存器为28位宽。其结果是，输出信号的频率是

其中K为加载到选定的频率寄存器的值，fMCLK意味着输入时钟速率。

因此，具有12MHz的时钟速率，AD9833可以被调谐至约0.045 Hz的分辨率，并且我们可以以足够高的精确度的频率获得单一频率的信号。

该相位寄存器为12位宽。因此，两个输出信号的相位差是

其中P1是装入一个芯片AD9833的选择的相位寄存器中的值,P2为另外一个，Poutput是用户所需要的相位差。

当然，STM32F103RD发送相应的数据选择的频率和相位寄存器的同时AD9833的两片后，我们可以得到频率，相位或相位差和类型所需要的信号。

3) 存储器

此单元的主要目的是节省生理和特殊信号的大量数据。出于这个原因，K9W5608U1M，快闪存储器，在32Mx8bit提供有备用的8M位的容量。它的NAND单元为固态大容量存储市场上最具性价比的解决方案。可以在典型200毫秒的528字节的页面上执行的程序操作，并且可以在典型的2毫秒16K字节的块上执行擦除操作。在页数据可以在每字50纳秒的周期时间被读出。在I / O引脚用作端口地址和数据输入/输出以及输入命令。片上写控制自动完成所有的编程和擦除功能包括脉冲重复，在必要时，和内部核查和数据的裕度。即使是写密集型系统可以充分利用100 K程序的扩展其可靠性的优势/提供ECC（纠错码）和实时映射出擦除周期算法。

如果每个生理或特殊的信号有2千字节为DAC产生相关的信号数据，K9W5608U1M有足够的能力，以节省16000的信号，这对我们来说就足够了。。

4) 双通道过滤单元

对于DAC输出过滤不需要的流畅信号是本单位的基本目标，主要包括一块ADG1439和LT1362的。 ADG1439是CMOS双4信道矩阵模拟开关与一个串行控制3线接口，每个开关由单独的位导通或截止，这些部件也可以配置成一个型开关阵列，其中任何，全部或没有四个开关可以在任何时候被关闭。因此，通过微控制器的控制下，ADG1439可以选择16多种不同的电阻为RC低通滤波器。我们可以通过STM32F103RD各种不同频率的生理和特殊信号的变化上限截止频率。 LT1362充当放大器构成有源滤波器与ADG1439，并且是四低功耗的高速运算放大器，具有输出站在AC和DC性能，并具有1 mV的最大输入失调电压和1mu;A最大输入偏置电流高压摆率。因此，该双信道滤波器具有高性能，并且可以通过矩阵模拟开关来改变上限截止频率。

5) 信号选择单元

信号选择器单元，其由ADG1439构成，被设计成选择两个通道信号从四个一按顺序输入增益调节器和功率放大器。其结果是，产生了满足用户的需求在两个信道信号。 ADG1439是双-4-信道矩阵的模拟开关，每个开关由单独的位导通或截止。所以很容易认识到，每个输出信道信号可从输入四通道做选择。

6) 功放单元

本单元的主要目的是提高该仪器的性能。这个功率放大器单元包括THS6042，这是一种高速线驱动器，适合于驱动信号。 THS6042可以输出双通道大电流，其典型的最大为350 mA，带热关断和短路保护。它作为本仪器的功率放大器，这种性能满足苛刻需求。

2.2.软件设计

要实现仪器功能，该仪器的软件必须设计，软件部分主要采用C语言编写，Keil C编译器编译而成。软件流程图如图3，主要由一个主程序和八个子程序，这是存储器控制，AD9833控制，DAC控制，信号选择和增益调节控制，ADC控制，过滤器控制，显示和读取的关键的子程序。其中

主程序主要是调用按键处理子程序获得用户输入的信息，调用其它相应子程序实现所需功能，并显示输出信号幅度、波形、频率等。按键处理子程序主要是将输入的按钮值转换为各变量值，同时将相应的变化送给主程序。；显示子程序主要是控制液晶实现频率、波形种类等信息的显示。双道常用信号产生控制子程序主要在需要输出常用信号时实现对两片AD9833的控制，输出所需常用信号。生理信号产生子程序主要是实现需要输出生理或其它特殊信号时，产生所需的信号。内存控制子程序完成读取和写入数据到K9W5608U1M的DAC。同时，过滤器控一体控制滤波器来实现滤波器的干扰信号。信号选择和调节控制子程序控制信号选择器和增益调节单元输出用户的需要双通道信号。 ADC控制子程序实现对测量输出信号的幅度。接口控制子程序旨在与外部设备和输出或输入数据通信。最后，通过所有的子程序，我们可以得到我们所需要的信号。

图3.软件流程图

2.3. 工作模式

该信号仪器，共有两种工作模式：信号提取模式和信号产生模式。两种工作模式可通过按键输入来切换。

第一个模式下,用户可以发送数据的生理或特殊信号STM32F103RD USART或USB接口,和闪存K9W5608U1M单片机可以节省相应的数据。当然,如何获得所需的数据对我们的生理或特殊信号是十分关注的。但是,它很容易获得数据通过使用软件作者设计,可以改变相应的信号数据的波形图。因此,在这种模式下,我们可以得到各种各样的生理或特殊信号。

第二个模式，需要双信道信号，如ECG信号，生理和特殊信号，用户自己定义的信号或通常使用的方波，正弦波，和三角信号，可以产生。在此模式下，我们可以通过输入相关信息到这个仪器得到满足我们所需求的信号。

3.结论

本仪器采用单片机控制和高性能信号波形发生器和32位的Cortextrade;-M3 CPU。其结果，它能够输出的双信道信号，并适用液晶来显示各种信息。在同一时间，该仪器配备二种信号源。一种来自双通道发生器单元，另一种来自双信道滤波器单元。此外，各种控制和选择的是应用电子开关的无机械接触，通过实际的使用，它不仅方便操作，但还具有性能极高的工作稳定性和可靠性。

使用这种仪器，多种具有良好的开放特性的生理信号可以通过USART和 USB接口进行修改。因此，可以很方便地添加，删除和修改的生理和特殊的信号。例如，生理和三角信号，其由仪器产生，示于图4（a）和（b）。

此外，该仪器可作为高精密度的频率和高驱动正弦信号源用于测试人的阻抗特性的研究和教学。而使用本仪器，很容易表现出不同的频率，相位差和指导下，两个简单的简谐振动，如拍频和李萨如图表合成。用于测试其隔音岬，我们表明不同的频率和沿着垂直方向与图4的（c）相同的相位下的两个简谐振动蒸发散合成，并在同一时间，不同的频率和相位下的两个简谐振动的显示合成差pi;/ 2沿垂直方向与图4（d）所示。

因此，有充分的信心，我们可以得出一个反面结论，即该发生器可以很方便地获得所需的各种生理信号和公共信号。在一般情况下，这个发生器有许多优点，如小体积，性能稳定，操作简单，可视化显示。并且，它可以被广泛应用于医疗领域和其他领域的研究，教学，调试和维护。

a b c d

图4

参考文献

[1] E. Z. Gong and P. Gan, “Medical Physics,” 2nd Edition, Science Press, Beijing, 2004.

[2] D. W. Kim, H. S. Kim, D. H. Lee, et al., “Importance of Skin Resistance in the Reverse Iontophresis—Based Non- Invasive Glucose Monitoring System,” Proceedings of the 26th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, San Francisco, 1-5 September 2004, pp. 2434-2437.

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