熱敏打印機(jī)的心電圖形快速打印方法介紹
目前,我國各醫(yī)院普遍使用的心電圖機(jī)絕大多數(shù)是機(jī)電式的,即通過電極檢測心電信號,放大后直接記錄,存在著打印效率低、噪聲污染嚴(yán)重、心電波形失真等缺點。與之相比,數(shù)字式心電圖機(jī)通過軟件實現(xiàn)噪聲抑制和心電參數(shù)的提取,并采用數(shù)字式打印機(jī)輸出心電圖形,可為醫(yī)護(hù)人員提供更完美心電圖和更多診斷信息,必將成為市場的發(fā)展趨勢,有著更廣闊的應(yīng)用前景。由于數(shù)字心電圖機(jī)通過ADC采集的數(shù)據(jù)是離散的,要將其在圖紙上還原為原始的心電圖形,除了要將數(shù)據(jù)與圖紙上的離散點對應(yīng)起來,還要根據(jù)信號變化的趨勢,在這些點之間連線,使之成為連續(xù)的圖形。將心電數(shù)據(jù)尤其是多導(dǎo)聯(lián)心電數(shù)據(jù)同步、準(zhǔn)確、快速打印出來是整個系統(tǒng)開發(fā)的難點和關(guān)鍵,而高效打印算法對數(shù)字心電圖機(jī)的開發(fā)無疑是很有意義的。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,打印機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域,成為各種智能數(shù)字化儀器儀表的重要數(shù)據(jù)輸出手段。而其中熱敏打印機(jī)憑其體積小、重量輕、可靠性高、打印字符清晰、無噪聲、走紙均勻等獨(dú)特能而越來越受到青睞,更是成為小型醫(yī)療儀器如心電圖機(jī)的首先。
下面以筆者課題組開發(fā)的12導(dǎo)同步心電圖機(jī)為例,介紹以普通52單片機(jī)為主控芯片應(yīng)用串行熱敏打印機(jī)實現(xiàn)多種方式的心電圖形打印,并重點描述了12導(dǎo)聯(lián)同步打印方式的程序?qū)崿F(xiàn)方案。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
系統(tǒng)配置了一個內(nèi)置式數(shù)字打印機(jī),它主要由熱敏打印頭(W216-QS)和步進(jìn)電機(jī)組成。W126-QS點陣式熱敏打印頭打印數(shù)據(jù)采用串行輸入,其內(nèi)部不僅包含有由C-MOS集成芯片構(gòu)成的1728位移位寄存器,還包含借助高密度厚膜工藝制成的加熱元件。這些加熱元件通過鎖存和切換晶體管驅(qū)動,可在熱敏打印紙上產(chǎn)生1728個點,對應(yīng)的打印寬度為216mm,分辨率為8dot/mm。熱敏打印頭所需的打印數(shù)據(jù)為串行數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸遵循SPI口的通信協(xié)議。系統(tǒng)采用了口線模擬SPI的工作方式與打印頭通信,電路如圖1所示。
考慮到52單片機(jī)內(nèi)部令有256字節(jié)的內(nèi)部RAM,系統(tǒng)還外擴(kuò)1片HM628128存儲12導(dǎo)心電數(shù)據(jù)和中間轉(zhuǎn)換結(jié)果。
2 系統(tǒng)軟件編寫
數(shù)字打印實現(xiàn)的兩個關(guān)鍵問題:①如何將心電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成打印數(shù)據(jù);②如果將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)字打印機(jī)。通常采用的方法是轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)同時將其輸出到打印機(jī)打印。這樣節(jié)省了存儲器空間;缺點是程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜,通用性差(不同打印方式的數(shù)據(jù)輸出程序不同),系統(tǒng)功能不易擴(kuò)展,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和輸出都要考慮打印點位置,并且每輸出一點的數(shù)據(jù)都要調(diào)用一次程序,加大了系統(tǒng)開銷。系統(tǒng)軟件中沒有采有這種方式,而是在內(nèi)存中開辟216字節(jié)打印緩沖區(qū),將熱敏打印頭1728個點與216×8位數(shù)據(jù)相對應(yīng),每次將要打印的一線數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換完再輸出。這樣只需在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時考慮打印位置和方式,輸出程序只需將216字節(jié)的數(shù)據(jù)按位輸出即可,并且每打印一線數(shù)據(jù)只需調(diào)用一次輸出子程序,字節(jié)了系統(tǒng)開銷。缺點是占用系統(tǒng)資源,這一點在12導(dǎo)同步打印表現(xiàn)得尤為明顯。
系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)三種打印方式:分兩次打印12導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù),每次打印6導(dǎo)、12導(dǎo)同步打印、縱向打?。ù蛴⌒Ч鐖D2)。在每一種打印程序中實現(xiàn)模擬SPI口將打印數(shù)據(jù)送至數(shù)字打印機(jī)的子程序共用,不同處在于如何將心電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成打印數(shù)據(jù)。
2.1 I/O口線模擬SPI口
SPI(Serial Peripheral InteRFace)總線串口是由Motorola公司提出的一種同步串行外設(shè)接口,通過四根線進(jìn)行通信:時鐘線(SPKCLK)、數(shù)據(jù)輸出線(SPIMISO)、數(shù)據(jù)輸出線(SPIMOSI)、片選線(CS),內(nèi)部通過SPIDAT寄存器完成串-并/并-串轉(zhuǎn)換。它主要工作在主從式系統(tǒng)中,一個主器件可以帶多個從器件,主器件通過片選線控制總線沖突,使同一時刻只有一個從器件與從器件交換數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)應(yīng)用的串行熱陣式打印機(jī)數(shù)據(jù)傳輸采用SPI時序,但普通52單片機(jī)無SPI口,所以采用I/O口線模擬SPI時序。考慮到系統(tǒng)中MCU作為主器件總是發(fā)送數(shù)據(jù),而數(shù)字打印機(jī)作為唯一從器件又總是接收數(shù)據(jù),所以只需用口線模擬SPI口的時鐘線(SPIKCLK)、數(shù)據(jù)輸出線(SPIMOSI),程序模擬SPIDAT完成并-串轉(zhuǎn)換即可。如前所提到打印頭打印的數(shù)據(jù)點數(shù)為1728點,分辨率為8mm/mV,對應(yīng)216字節(jié)的數(shù)據(jù),為此從內(nèi)部RAM中分配出216字節(jié)的空間作為打印緩沖區(qū),程序從緩沖區(qū)依次讀數(shù)據(jù),在模擬時鐘線的控制下將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的串行數(shù)據(jù)按位依次送至打印機(jī)的移位寄存器中,結(jié)束后送LATCH鎖存信號和打印頭加熱脈沖STROBE,從而在熱敏打印紙打印出一線心電圖形,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)向前走紙即可以連續(xù)打印。SPI口模擬程序如下:
OUTPUT:
現(xiàn)場保護(hù)
LCALL INTRAM ;初始化內(nèi)部打印緩沖區(qū)
MOV R0,#Dat_Buff ;初始化R0為緩沖區(qū)末位地址
DAT_OUT:
MOV A,@R0 ;從緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)
MOV R7,#08H ;初始化R7控制并/串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
CONT_CHG:
RRC A ;對ACC循環(huán)右移實現(xiàn)并-串轉(zhuǎn)換
MOV P1.3,C 將串行數(shù)據(jù)送至打印機(jī)
SETB P1.1 ;模擬SPI時鐘
NOP
CLR P1.1
DJNZ R7,CONT_CHG ;判斷1字節(jié)數(shù)據(jù)是否轉(zhuǎn)換完
DEC R0 ;尋址下一字節(jié)
CJNE R0,#15H,DAT_OUT;判斷數(shù)據(jù)是否全部轉(zhuǎn)換完
CLR P1.2 ;產(chǎn)生數(shù)據(jù)鎖存信號
NOP
SETB P1.2
NOP
CLR P1.0 ;產(chǎn)生加熱脈沖
LCALL HEATDLY ;調(diào)用加熱延時程序
SETB P1.1
LCALL MOTOR_RUN ;步進(jìn)電機(jī)走紙
恢復(fù)現(xiàn)場
RET
2.2 打印算法
數(shù)字打印機(jī)實質(zhì)上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)與打印點的對應(yīng),也就是說8位心電數(shù)據(jù)數(shù)值范圍為0~255,對應(yīng)于熱敏打印紙上的256點,通過加熱敏單元使紙上某點變黑顯示數(shù)據(jù)的大小。這就需要將表征實際心電大小的數(shù)據(jù)(以下稱為原始數(shù)據(jù))轉(zhuǎn)換成能夠指示加熱點位置的數(shù)據(jù)(以下稱為位置數(shù)據(jù)),通過位置數(shù)據(jù)的控制將心電數(shù)據(jù)對應(yīng)的點依次打印出來,就可獲得心電圖。但是由于系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得的心電數(shù)據(jù)是離散的,如果僅將它們對應(yīng)的點打印出來,得到只是一些離散的點,要想獲得連續(xù)的心電圖形,需要將相鄰的離散點按照一定的算法將它們連接起來,對于縱向打印方式和橫向打印方式,離散點連線算法是不同的。限于篇幅,在下面介紹打印方式的實現(xiàn)中,僅對橫向12導(dǎo)同步打印和縱向打印進(jìn)行詳細(xì)闡述,而對6導(dǎo)聯(lián)打印僅介紹其實現(xiàn)思想。
2.2.1 橫向6導(dǎo)聯(lián)打印
心電圖紙長度為216mm,為每一導(dǎo)聯(lián)心電信號分配32mm,對應(yīng)于打印緩沖區(qū)中連續(xù)的32字節(jié),打印數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的位置數(shù)據(jù)存儲于這32個字節(jié)中。12導(dǎo)聯(lián)的心電數(shù)據(jù)被分為兩大組,當(dāng)一組打印完成再打印剩下的6導(dǎo)聯(lián)的數(shù)據(jù)。具體的實現(xiàn)過程可參考橫向12導(dǎo)聯(lián)打印方式。
2.2.2 橫向12導(dǎo)聯(lián)同步打印
在6導(dǎo)聯(lián)打印方式實現(xiàn)過程中,注意到在大多情況下一個完事心電波形中僅QRS波主峰較高可以點滿整個空間外,其他波段幅值都較小占用空間很少,而這些波段可以提供更多的信息,此外將12導(dǎo)聯(lián)分開打印,不利于醫(yī)生對比同一時刻不同導(dǎo)聯(lián)的心電波形。而采用12導(dǎo)聯(lián)同步打印,雖然會出現(xiàn)波形部分重疊,但是在一些心臟疾病診斷中影響不大,且可以得取更直觀的效果。
12導(dǎo)聯(lián)同步打印程序?qū)崿F(xiàn)的基本思想與6導(dǎo)聯(lián)同步打印相同,不同在于將12導(dǎo)聯(lián)的數(shù)據(jù)同時在216mm寬的打印紙上打印出來,不可避免地出現(xiàn)不同導(dǎo)聯(lián)心電圖形重疊的現(xiàn)象,對應(yīng)的內(nèi)存單元也會出現(xiàn)復(fù)用的情況。如果簡單地套用6導(dǎo)聯(lián)打印程序,那么前一導(dǎo)聯(lián)的數(shù)據(jù)會被相鄰導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)沖掉,從而使圖形無法正確顯示。圖3列出了為各個導(dǎo)聯(lián)分配的熱敏打印紙空間與緩沖內(nèi)存單元(這里假定緩存地址為0x1DH~0xEDH)。從圖3中可以看出除了I導(dǎo)聯(lián)前16mm空間和V6導(dǎo)聯(lián)的后16mm空間沒有被復(fù)用,打印紙的其它空間都是被兩個導(dǎo)聯(lián)共用。內(nèi)部RAM使用情況也與之類似。為此在外部RAM開辟一個內(nèi)部打印緩沖區(qū)的影像區(qū)(大小為216字節(jié),單元地址的低8位與內(nèi)存相應(yīng)單元相同,如內(nèi)部RAM 0x1DH單元與外部RAM 0xXX1DH相對應(yīng)),將12導(dǎo)聯(lián)分為兩組:一組(I,III,aVL,V1,V3,V5)仍然存儲于內(nèi)部存儲器,而另一組(II,aVF,V2,V4,V6)存儲于外部影像區(qū),在12導(dǎo)聯(lián)一線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完要打印時,將兩部分按照對應(yīng)單元相與即可。這樣做不但可以解決上述問題,而且節(jié)省了內(nèi)部資源、降低程序編寫的難度。
如前所述不同導(dǎo)聯(lián)所占的打印空間不同,所以,對于某導(dǎo)聯(lián)心電信號,先要確定其打印區(qū)間,然后再確定打印數(shù)據(jù)在該區(qū)間的相對位置。
假定某導(dǎo)聯(lián)所占打印空間的起始字節(jié)為第n個字節(jié),而要打印的心電數(shù)據(jù)為m,將m除以8,得商k,余數(shù)為1,則此心電數(shù)據(jù)對應(yīng)點對數(shù)(n-k)字節(jié)的第1位。即該心電數(shù)據(jù)對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)為第(n-k)字節(jié)(該字節(jié)的1位置1,其它位清零)。因此,打印此心電數(shù)據(jù)時,該導(dǎo)聯(lián)所要傳送的32字節(jié)打印數(shù)據(jù)中只有第(n-k)字節(jié)的第1位為1,其他都為0。
與液晶顯示相類似,對于一個導(dǎo)聯(lián)的心電信號,要實現(xiàn)心電圖打印,必須將盯連兩個心電數(shù)據(jù)用線連接。即對于一條心電曲線,起始顯示數(shù)據(jù)點在起始列只顯示1點;從第二個數(shù)據(jù)點開始,要在下一列顯示上一數(shù)據(jù)點到此次數(shù)據(jù)點之間的線段。在熱敏打印紙上表現(xiàn)為將兩數(shù)據(jù)點之間的點都加熱,對應(yīng)于內(nèi)存則是將兩點之間的數(shù)據(jù)都置1。
對于—導(dǎo)聯(lián)的心電信號,先讀出第一個心電數(shù)據(jù),將其轉(zhuǎn)換成32字節(jié)位置數(shù)據(jù)直接打印。從第二個心電數(shù)據(jù)開始,除了要轉(zhuǎn)換成位置數(shù)據(jù)外,還要與上一個數(shù)據(jù)相比較,用大數(shù)對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)減去小數(shù)對應(yīng)的,然后結(jié)果與大數(shù)的位置數(shù)據(jù)相加,結(jié)果即為此心電數(shù)據(jù)應(yīng)送打的32字節(jié)數(shù)據(jù),也即完成了與上一心電數(shù)據(jù)連線的操作。分析發(fā)現(xiàn)連線算法只影響相連兩個位置數(shù)據(jù)中非零字節(jié)之間的數(shù)據(jù),為了簡化計算,只需對這些字節(jié)進(jìn)行減法操作,而不必計算所有的32個字節(jié)。對于加法,也只需將大數(shù)對應(yīng)位置數(shù)據(jù)中的非零字節(jié)進(jìn)行加法,即進(jìn)行單字節(jié)加法。
舉例說明,對于導(dǎo)聯(lián)V6心電信號,前一個數(shù)據(jù)37H,下一個數(shù)據(jù)為55H,導(dǎo)聯(lián)V6分配的打印區(qū)間為1DH~3DH,按照位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法,37H的位置數(shù)據(jù)為第37H字節(jié),該字節(jié)內(nèi)容為80H,其他字節(jié)都為00H;55H的位置數(shù)據(jù)為第33H字節(jié),該字節(jié)內(nèi)容為20H,其他字節(jié)為00H。由于37H〈55H,因此應(yīng)是心電數(shù)據(jù)55H的位置數(shù)據(jù)減去33H的位置數(shù)據(jù),計算如圖4所示。
2.3 縱向打印程序
縱向打印能夠?qū)崿F(xiàn)將12導(dǎo)聯(lián)數(shù)據(jù)無重疊同步顯示。這樣醫(yī)生可以參考比較同一時刻的各個波形的變化趨勢,為疾病的診斷提供方便。
熱敏打印紙寬度為216mm,分辨率為8dot/mm,這樣最多能夠打印1728點,將這些點與某一導(dǎo)聯(lián)連續(xù)的1728個心電數(shù)據(jù)相對應(yīng),也就是說導(dǎo)聯(lián)順序第n個數(shù)據(jù)對應(yīng)于一線圖形中的第n個點。與模向打印相比縱向打印仍然要解決將離散的點連接起來的問題;但與橫向順序打印方式,即打印點按時間順序打印相比,其難點在于需要將不同時刻同一幅值的多個點同時打印出來,即打印點按空間順序打印。
首先定義一個內(nèi)存單元存儲掃描值,使其從當(dāng)前通道數(shù)據(jù)最大值變化到0,依次與通道的每一個數(shù)據(jù)進(jìn)行比較:相同則對應(yīng)點被描記;小則不被描記;大則需要將當(dāng)前心電數(shù)據(jù)相鄰的兩點與掃描值相比較,只要其中一個比掃描值大,則對應(yīng)點被描記,要描記的噗將其內(nèi)存對應(yīng)的數(shù)據(jù)位置1。
舉例說明,如果打印內(nèi)存緩沖區(qū)的首字節(jié)為n,大小為216字節(jié),而當(dāng)前某一導(dǎo)聯(lián)順序第m個心電數(shù)據(jù)是v,而此時的掃描值為w:①v>w,則繼續(xù)比較第m+1個數(shù)據(jù);②v=w,則對應(yīng)點需要被描記;③v<w,則需要分別比較第m-1個和第m+1個數(shù)與w的關(guān)系,如果其中的某一個較w大,則對應(yīng)的點需要被描記。假設(shè)經(jīng)過判斷第m個數(shù)據(jù)對應(yīng)的點需要被描記,將mgn 8做除法,商為k,余數(shù)為1,也就是內(nèi)存中第(n-k)個字節(jié)第1位被置1,即用數(shù)據(jù)(第1位被置1)與內(nèi)存單元(n-k)的內(nèi)容相與。