采用USB接口的心电图热敏打印机系统设计
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心电图机是描记心脏组织活动所产生的生物电信号以及现代医学科学研究和l临床诊断中使用非常广泛的一种精密电子医疗仪器。由于它诊断可靠，操作简便，对病人无损伤，故在临床上得到广泛的应用，而作为心电图检测结果直观的输出方式和手段，心电图机微型打印机是必不可少的。
目前，医院中使用的多为传统机械式心电打印机，存在着打印效率低、噪声污染严重、心电波形失真等缺点。近年来uSB技术有了飞速的发展，很多台式打印机已经应用了该技术。但是采用USB接口技术的心电图机热敏打印机却很少。本系统就采用了USB接口与心电图机相连，同时也可以与PC心电图机进行连接打印。
1 心电图热敏打印机的硬件设计
1.1 系统的总体结构
硬件系统由控制器、走纸电机、uSB接口、热敏打印头及其检测和保护电路等组成，组成框图如图1所示。
1.2 ARM控制器的选择
由于本系统要求打印最高速度达50 mm／s，所以对于处理器给打印头传送数据的速度就要求很高。一般热敏打印头数据通过串行传送，所以通过SPI口传送是最佳方式，而普通8位单片机在处理速度上就有缺陷，难以满足整体要求，因此决定选用Atlnel公司的ARM7内核芯片AT91SAM7S64作为控制器。该芯片具有64 KB的片内高速Flash存储器，16 KB的片内高速SRAM(可以在最高时钟速度下进行单时钟周期访问操作)；1个USB 2．O全速(12 Mbps)设备端口，片上收发器，328字节可编程的FIFO；主／从串行外设接口(SPI)，8～16位可编程的数据长度，4个片选线。本设计将用USB口与台式或PC心电图机通信，SPI口控制打印头，同时具有大容量的数据存储及高速数据处理能力。所以无论从集成度，还是性价比来看，都是理想的选择。
1.3 热敏打印头的选择及控制
热敏打印技术最早使用在传真机上，其基本原理是将打印机接收的数据转换成点阵信号控制热敏单元的加热．把热敏纸上热敏涂层显影。这种技术只能使用专用的热敏纸。热敏纸上涂有一层遇热就会产生化学反应而变色的涂层，类似于感光胶片，不过该涂层是遇热后变色显影。利用热敏涂层的这种特性，研究出了热敏打印技术。热敏打印技术的关键在于加热元件。热敏打印机芯上有一排微小的半导体元件。这些元件排得很密，从2·90dpi～600dpi不等。这些元件在通过一定电流时会很快产生高温，当热敏纸的涂层遇到这些元件时，在极短的时间内温度会升高，涂层就会发生化学反应，显出颜色。
热敏打印机接收到打印数据后，将打印数据转换为位图数据，然后按照位图数据的点控制打印机芯上的发热元件通过电流，这样就把打印数据变成打印纸上的打印内容了。
由于本设计要求最多能同时打印12导联的心电波形，所以对打印头的宽度和分辨率要求很高。经过认真的性能比较，选用了C216型行式打印头，其打印宽度可达216 mm，即1728点／行。热敏打印头的电路连接如图2所示。
C216打印头各信号线加2．2 kΩ上拉电阻，数据通过ARM的SPI口串行输入；SPCK连接ARM芯片SPI口串行时钟引脚，ARM最多有4个SPI外设片选信号脚，P_LATCHCSl连接其中的NPCSl脚，由于打印机只需单向接收数据，所以只连接MOSI脚。THERMISTOR接打印头内置热敏电阻，外加电路来检测打印头的温度，从而可对打印头作相应的保护。打印头工作需要24 V直流电压。由于每行1728点，且电源电流有限，所以必须进行打印头的加热功率控制。C216有4个加热选通信号(STR()BEl～4)，即1728个点可以分4次加热，每次最多448个点。根据打印头参数，如每个加热点电阻为R=700 Ω时，消耗功率为31．0 mA／点；若所有点都加热时需电流1728点×31．O mA／点=53 568 mA。所以设计中要根据实际加热点数通过软件进行一定的时序控制。
1.4 USB接口电路
AT9lSAM7S64芯片具有一个USB 2．O全速(12Mbps)设备端口，片上收发器，328字节可编程的F。IFO。这就给设计带来很大的便捷性，也是采用本款ARM芯片较其他控制芯片的独特优势之一。其外接电路如图3所示。
AT9ISAM7S64的USB物理收发器集成在芯片中，USB器件有一条与高级中断控制器(AIC)连接的中断线．处理USB器件中断须在配置UDP前对AIC编程，可自动检测挂起与恢复，通过出现中断来停止处理器。双向差分信号DP与DM对于产品边界有效，应用中会用到两条I／O线：一条检查来自主机的VBUS是否仍然有效的USB_DET引脚，使用该入口通知自供电器件主机断电(此时，禁用板上上拉DP，以防止电流流入主机)；另一条用来控制板上上拉DP即USB_DP_PUP引脚，当器件准备与主机通信时，通过该控制线激活其DP上拉。
NRST引脚来自芯片的复位信号，AT9lSAM7S64的基于上电复位单元的复位控制器(RSTC)可以处理系统的所有复位，而无需其他器件，它可以给出上一次复位源的信息。复位控制器可独立地或同时驱动外部复位和外设及处理器复位，其掉电检测功能可防止处理器进入不可预测的状态。
USB器件外设需要48 MHz时钟。该时钟由精度为士O．25％的PLL产生。因此，USB器件收到来自电源管理控制器(PMC)的两个时钟：主机时钟MCK，用来驱动外设用户接口；UDPCK用来与总线USB信号连接。
目前，医院中使用的多为传统机械式心电打印机，存在着打印效率低、噪声污染严重、心电波形失真等缺点。近年来uSB技术有了飞速的发展，很多台式打印机已经应用了该技术。但是采用USB接口技术的心电图机热敏打印机却很少。本系统就采用了USB接口与心电图机相连，同时也可以与PC心电图机进行连接打印。
1 心电图热敏打印机的硬件设计
1.1 系统的总体结构
硬件系统由控制器、走纸电机、uSB接口、热敏打印头及其检测和保护电路等组成，组成框图如图1所示。
1.2 ARM控制器的选择
由于本系统要求打印最高速度达50 mm／s，所以对于处理器给打印头传送数据的速度就要求很高。一般热敏打印头数据通过串行传送，所以通过SPI口传送是最佳方式，而普通8位单片机在处理速度上就有缺陷，难以满足整体要求，因此决定选用Atlnel公司的ARM7内核芯片AT91SAM7S64作为控制器。该芯片具有64 KB的片内高速Flash存储器，16 KB的片内高速SRAM(可以在最高时钟速度下进行单时钟周期访问操作)；1个USB 2．O全速(12 Mbps)设备端口，片上收发器，328字节可编程的FIFO；主／从串行外设接口(SPI)，8～16位可编程的数据长度，4个片选线。本设计将用USB口与台式或PC心电图机通信，SPI口控制打印头，同时具有大容量的数据存储及高速数据处理能力。所以无论从集成度，还是性价比来看，都是理想的选择。
1.3 热敏打印头的选择及控制
热敏打印技术最早使用在传真机上，其基本原理是将打印机接收的数据转换成点阵信号控制热敏单元的加热．把热敏纸上热敏涂层显影。这种技术只能使用专用的热敏纸。热敏纸上涂有一层遇热就会产生化学反应而变色的涂层，类似于感光胶片，不过该涂层是遇热后变色显影。利用热敏涂层的这种特性，研究出了热敏打印技术。热敏打印技术的关键在于加热元件。热敏打印机芯上有一排微小的半导体元件。这些元件排得很密，从2·90dpi～600dpi不等。这些元件在通过一定电流时会很快产生高温，当热敏纸的涂层遇到这些元件时，在极短的时间内温度会升高，涂层就会发生化学反应，显出颜色。
热敏打印机接收到打印数据后，将打印数据转换为位图数据，然后按照位图数据的点控制打印机芯上的发热元件通过电流，这样就把打印数据变成打印纸上的打印内容了。
由于本设计要求最多能同时打印12导联的心电波形，所以对打印头的宽度和分辨率要求很高。经过认真的性能比较，选用了C216型行式打印头，其打印宽度可达216 mm，即1728点／行。热敏打印头的电路连接如图2所示。
C216打印头各信号线加2．2 kΩ上拉电阻，数据通过ARM的SPI口串行输入；SPCK连接ARM芯片SPI口串行时钟引脚，ARM最多有4个SPI外设片选信号脚，P_LATCHCSl连接其中的NPCSl脚，由于打印机只需单向接收数据，所以只连接MOSI脚。THERMISTOR接打印头内置热敏电阻，外加电路来检测打印头的温度，从而可对打印头作相应的保护。打印头工作需要24 V直流电压。由于每行1728点，且电源电流有限，所以必须进行打印头的加热功率控制。C216有4个加热选通信号(STR()BEl～4)，即1728个点可以分4次加热，每次最多448个点。根据打印头参数，如每个加热点电阻为R=700 Ω时，消耗功率为31．0 mA／点；若所有点都加热时需电流1728点×31．O mA／点=53 568 mA。所以设计中要根据实际加热点数通过软件进行一定的时序控制。
1.4 USB接口电路
AT9lSAM7S64芯片具有一个USB 2．O全速(12Mbps)设备端口，片上收发器，328字节可编程的F。IFO。这就给设计带来很大的便捷性，也是采用本款ARM芯片较其他控制芯片的独特优势之一。其外接电路如图3所示。
AT9ISAM7S64的USB物理收发器集成在芯片中，USB器件有一条与高级中断控制器(AIC)连接的中断线．处理USB器件中断须在配置UDP前对AIC编程，可自动检测挂起与恢复，通过出现中断来停止处理器。双向差分信号DP与DM对于产品边界有效，应用中会用到两条I／O线：一条检查来自主机的VBUS是否仍然有效的USB_DET引脚，使用该入口通知自供电器件主机断电(此时，禁用板上上拉DP，以防止电流流入主机)；另一条用来控制板上上拉DP即USB_DP_PUP引脚，当器件准备与主机通信时，通过该控制线激活其DP上拉。
NRST引脚来自芯片的复位信号，AT9lSAM7S64的基于上电复位单元的复位控制器(RSTC)可以处理系统的所有复位，而无需其他器件，它可以给出上一次复位源的信息。复位控制器可独立地或同时驱动外部复位和外设及处理器复位，其掉电检测功能可防止处理器进入不可预测的状态。
USB器件外设需要48 MHz时钟。该时钟由精度为士O．25％的PLL产生。因此，USB器件收到来自电源管理控制器(PMC)的两个时钟：主机时钟MCK，用来驱动外设用户接口；UDPCK用来与总线USB信号连接。