采用EFM32单片机的心电信号发生器的设计

摘要：本文基于挪威的Energy Micro最新推出的32位超低功耗单片机EFM32LG332F64设计的一款心电信号发生器，采用PC机的USB为系统供电并传输数据，利用该单片机的内置DAC与USB功能，实现了波形数据的模拟，采用模拟开关电路控制输出波形的导联切换，无需内置电源、体积小、使用方便，为心电信号的研究分析和医疗仪器的研发检测提供了一个便捷的检测、实验工具。

引言

心电信号反映的是心脏兴奋的产生和传导以及恢复过程中生物电的变化，在临床研究上具有重要的意义。随着各种心电诊断设备的出现，心电图机、心电监护、动态心电记录仪等医疗设备的热销，人们对心电的研究更加深入。而在研发过程中，从人体采集心电信号作为设备的输入端存在着一些不便，这时就需要一种可以模拟人体心电信号的设备。本文设计的心电信号发生器，选择EFM32LG332F64单片机作为主处理器，与PC机配合利用单片机的USB与DAC功能，可以模拟输出心电信号和一些常用的检测信号，如正弦波、方波、三角波、常规或异常心电波形。方便了心电设备的研制，同时也给一些科研院所的项目科研或者医院设备科对设备的日常维护与检测带来了方便。

系统结构

该信号发生器主要由三个部分组成，首先由PC机选择所要输出的波形以及输出波形的导联，通过USB数据线将导联命令和波形数据包(正弦波、三角波、方波或心电波形)传输到主处理器EFM32LG332F64端，然后通过EFM32的DAC模块，将波形数据转换为模拟信号输出到电压跟随器1，以提高信号的带负载能力，再由电压跟随器将波形数据输出到模拟开关电路，最后通过单片机控制模拟开关电路，选择输出波形的导联。系统所需电源由PC机的USB提供，USB数据线提供的5V经过LDO稳压为3.3V，其中3.3V电压经过分压再由电压跟随器2跟随，为RL和LL提供1.65V的基准电压，其中电压跟随器1和电压跟随器2为一个双运放芯片。系统结构框图如图1所示。

硬件电路设计

本文所用USB座选择爱特姆公司的MICRO USB 5P 座，该USB座尺寸较小，节省空间，5pin引脚方便与单片机相连接。只需要将USB座的DM与DP引脚连接到单片机的相应USB引脚即可。为了节省资源，整个心电发生器的电源部分，由PC机通过USB数据线和硬件电路中的USB座连接，将其中的5V电通过一个电压转换芯片AMS1117转换成3.3V，为整个硬件电路供电，其中USB_IN连接单片机的GPIO口，用来检测USB和PC机的连接状态。供电电路如图2所示。

主处理器EFM32单片机是挪威的Energy Micro最新推出的超低功耗单片机，功耗只有现有同类内核单片机的四分之一，且具有丰富的外设接口。本文选用EFM32LG332F64，具有64K的FLASH和32K的RAM，该型号芯片最大FLASH可以达到256K。EFM32单片机含有2个12位的DAC数模转换通道，满足系统的要求。选用TLC2252双路运算放大器作为电压跟随器，其中一路作为DA转换后的跟随，以提高信号的带负载能力，另一路与分压电路配合搭建成基准电路，为RL和LL提供1.65V的基准电压，基准电压电路如图3所示。模拟开关电路部分选取芯片CD74HC4051PWR，通过单片机的PA0-PA2三个GPIO口控制芯片的通道选择，实现不同导联的波形切换输出。模拟开关部分电路如图4所示。

软件设计

该心电信号发生器软件设计中重要的工作是初始化模块、导联切换控制，针对系统各项功能的要求，设置相应的参数使得系统可以稳定地工作。主处理器EFM32LG332F64的初始化，包括对GPIO口的初始化、时钟的初始化、DA的初始化等等。主处理器EFM32LG332F64通过USB数据线接收PC机发送的波形和导联命令数据包，并对波形数据进行DA转换，控制输出时间。单片机控制模拟开关电路实现输出导联波形，从而达到信号模拟的效果。软件流程图如图5所示。

总结

系统的主处理器EFM32LG332F64单片机是低功耗、低噪声、具有Cortex-M3内核的32位单片机，其高达48MHz的主频可以提高系统的性能和运算速度。通过PC机的数据输入，EFM32LG332F64单片机完成数据解包、定时发送、导联切换等功能，实现了不同导联的心电信号以及检测波形信号的模拟，由于采用USB供电、EFM32LG332F64内置DAC模块，本文设计的心电信号发生器具有运算速度快、低功耗、体积小等特点，功能齐全，携带方便，对心电信号的研究与心电相关医疗器械的研发具有较大的意义。

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