心電圖機(jī)USB借口的熱敏打印控制系統(tǒng)

摘  要：詳細(xì)介紹基于USB接口的心電圖機(jī)的熱敏打印控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用ARM作為控制芯片，使用USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。熱敏打印機(jī)噪聲低、速度快、可靠性高、打印字符清晰。文中對(duì)熱敏打印所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)作了詳細(xì)說明，并對(duì)軟件設(shè)計(jì)作了介紹。
關(guān)鍵詞：ARM USB接口 心電圖 熱敏打印機(jī)

    心電圖機(jī)是描記心臟組織活動(dòng)所產(chǎn)生的生物電信號(hào)以及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)科學(xué)研究和l臨床診斷中使用非常廣泛的一種精密電子醫(yī)療儀器。由于它診斷可靠，操作簡(jiǎn)便，對(duì)病人無損傷，故在臨床上得到廣泛的應(yīng)用，而作為心電圖檢測(cè)結(jié)果直觀的輸出方式和手段，心電圖機(jī)微型打印機(jī)是必不可少的。

    目前，醫(yī)院中使用的多為傳統(tǒng)機(jī)械式心電打印機(jī)，存在著打印效率低、噪聲污染嚴(yán)重、心電波形失真等缺點(diǎn)。近年來uSB技術(shù)有了飛速的發(fā)展，很多臺(tái)式打印機(jī)已經(jīng)應(yīng)用了該技術(shù)。但是采用USB接口技術(shù)的心電圖機(jī)熱敏打印機(jī)卻很少。本系統(tǒng)就采用了USB接口與心電圖機(jī)相連，同時(shí)也可以與PC心電圖機(jī)進(jìn)行連接打印。

1 心電圖熱敏打印機(jī)的硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
    硬件系統(tǒng)由控制器、走紙電機(jī)、uSB接口、熱敏打印頭及其檢測(cè)和保護(hù)電路等組成，組成框圖如圖1所示。

1.2 ARM控制器的選擇
    由于本系統(tǒng)要求打印最高速度達(dá)50 mm／s，所以對(duì)于處理器給打印頭傳送數(shù)據(jù)的速度就要求很高。一般熱敏打印頭數(shù)據(jù)通過串行傳送，所以通過SPI口傳送是最佳方式，而普通8位單片機(jī)在處理速度上就有缺陷，難以滿足整體要求，因此決定選用Atlnel公司的ARM7內(nèi)核芯片AT91SAM7S64作為控制器。該芯片具有64 KB的片內(nèi)高速Flash存儲(chǔ)器，16 KB的片內(nèi)高速SRAM(可以在最高時(shí)鐘速度下進(jìn)行單時(shí)鐘周期訪問操作)；1個(gè)USB 2．O全速(12 Mbps)設(shè)備端口，片上收發(fā)器，328字節(jié)可編程的FIFO；主／從串行外設(shè)接口(SPI)，8～16位可編程的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，4個(gè)片選線。本設(shè)計(jì)將用USB口與臺(tái)式或PC心電圖機(jī)通信，SPI口控制打印頭，同時(shí)具有大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及高速數(shù)據(jù)處理能力。所以無論從集成度，還是性價(jià)比來看，都是理想的選擇。

1.3 熱敏打印頭的選擇及控制
    熱敏打印技術(shù)最早使用在傳真機(jī)上，其基本原理是將打印機(jī)接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)陣信號(hào)控制熱敏單元的加熱．把熱敏紙上熱敏涂層顯影。這種技術(shù)只能使用專用的熱敏紙。熱敏紙上涂有一層遇熱就會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而變色的涂層，類似于感光膠片，不過該涂層是遇熱后變色顯影。利用熱敏涂層的這種特性，研究出了熱敏打印技術(shù)。熱敏打印技術(shù)的關(guān)鍵在于加熱元件。熱敏打印機(jī)芯上有一排微小的半導(dǎo)體元件。這些元件排得很密，從2·90dpi～600dpi不等。這些元件在通過一定電流時(shí)會(huì)很快產(chǎn)生高溫，當(dāng)熱敏紙的涂層遇到這些元件時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)溫度會(huì)升高，涂層就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，顯出顏色。

    熱敏打印機(jī)接收到打印數(shù)據(jù)后，將打印數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為位圖數(shù)據(jù)，然后按照位圖數(shù)據(jù)的點(diǎn)控制打印機(jī)芯上的發(fā)熱元件通過電流，這樣就把打印數(shù)據(jù)變成打印紙上的打印內(nèi)容了。

    由于本設(shè)計(jì)要求最多能同時(shí)打印12導(dǎo)聯(lián)的心電波形，所以對(duì)打印頭的寬度和分辨率要求很高。經(jīng)過認(rèn)真的性能比較，選用了C216型行式打印頭，其打印寬度可達(dá)216 mm，即1728點(diǎn)／行。熱敏打印頭的電路連接如圖2所示。

    C216打印頭各信號(hào)線加2．2 kΩ上拉電阻，數(shù)據(jù)通過ARM的SPI口串行輸入；SPCK連接ARM芯片SPI口串行時(shí)鐘引腳，ARM最多有4個(gè)SPI外設(shè)片選信號(hào)腳，P_LATCHCSl連接其中的NPCSl腳，由于打印機(jī)只需單向接收數(shù)據(jù)，所以只連接MOSI腳。THERMISTOR接打印頭內(nèi)置熱敏電阻，外加電路來檢測(cè)打印頭的溫度，從而可對(duì)打印頭作相應(yīng)的保護(hù)。打印頭工作需要24 V直流電壓。由于每行1728點(diǎn)，且電源電流有限，所以必須進(jìn)行打印頭的加熱功率控制。C216有4個(gè)加熱選通信號(hào)(STR()BEl～4)，即1728個(gè)點(diǎn)可以分4次加熱，每次最多448個(gè)點(diǎn)。根據(jù)打印頭參數(shù)，如每個(gè)加熱點(diǎn)電阻為R=700 Ω時(shí)，消耗功率為31．0 mA／點(diǎn)；若所有點(diǎn)都加熱時(shí)需電流1728點(diǎn)×31．O mA／點(diǎn)=53 568 mA。所以設(shè)計(jì)中要根據(jù)實(shí)際加熱點(diǎn)數(shù)通過軟件進(jìn)行一定的時(shí)序控制。

1.4 USB接口電路
    AT9lSAM7S64芯片具有一個(gè)USB 2．O全速(12Mbps)設(shè)備端口，片上收發(fā)器，328字節(jié)可編程的F。IFO。這就給設(shè)計(jì)帶來很大的便捷性，也是采用本款A(yù)RM芯片較其他控制芯片的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)之一。其外接電路如圖3所示。

    AT9ISAM7S64的USB物理收發(fā)器集成在芯片中，USB器件有一條與高級(jí)中斷控制器(AIC)連接的中斷線．處理USB器件中斷須在配置UDP前對(duì)AIC編程，可自動(dòng)檢測(cè)掛起與恢復(fù)，通過出現(xiàn)中斷來停止處理器。雙向差分信號(hào)DP與DM對(duì)于產(chǎn)品邊界有效，應(yīng)用中會(huì)用到兩條I／O線：一條檢查來自主機(jī)的VBUS是否仍然有效的USB_DET引腳，使用該入口通知自供電器件主機(jī)斷電(此時(shí)，禁用板上上拉DP，以防止電流流入主機(jī))；另一條用來控制板上上拉DP即USB_DP_PUP引腳，當(dāng)器件準(zhǔn)備與主機(jī)通信時(shí)，通過該控制線激活其DP上拉。

    NRST引腳來自芯片的復(fù)位信號(hào)，AT9lSAM7S64的基于上電復(fù)位單元的復(fù)位控制器(RSTC)可以處理系統(tǒng)的所有復(fù)位，而無需其他器件，它可以給出上一次復(fù)位源的信息。復(fù)位控制器可獨(dú)立地或同時(shí)驅(qū)動(dòng)外部復(fù)位和外設(shè)及處理器復(fù)位，其掉電檢測(cè)功能可防止處理器進(jìn)入不可預(yù)測(cè)的狀態(tài)。

    USB器件外設(shè)需要48 MHz時(shí)鐘。該時(shí)鐘由精度為士O．25％的PLL產(chǎn)生。因此，USB器件收到來自電源管理控制器(PMC)的兩個(gè)時(shí)鐘：主機(jī)時(shí)鐘MCK，用來驅(qū)動(dòng)外設(shè)用戶接口；UDPCK用來與總線USB信號(hào)連接。

1．5 走紙電路設(shè)計(jì)
    打印機(jī)走紙控制采用雙極斬波驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用Allego公司的專用雙全橋PWM步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器A2919SLB來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如圖4所示。驅(qū)動(dòng)器輸出雙路可直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，PHASEl和PHASE2分別由．ARM控制器輸出相應(yīng)脈沖來控制輸出脈沖頻率，從而得到理想的速度。走紙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

    A2919SLB驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作電壓為+24 V，芯片參考供電電壓為VOC，驅(qū)動(dòng)芯片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流取決于參考電壓VREF和參考電阻Rs，以及Io和fI高低電平的組合，其計(jì)算方法如表1所列。

    該芯片的控制簡(jiǎn)單方便，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)輸出高低電平搭配，以達(dá)到細(xì)分的效果。本設(shè)計(jì)采用了全角控制，VREF采用+5 V直流電壓，Rs取0．5 n的高精度電阻，I0和Il采用第2種電平組合方式，輸出電流為67％，ITRlP，完全可以滿足設(shè)計(jì)需要。

1.6 打印頭保護(hù)和頭溫度測(cè)量電路
    對(duì)打印頭的保護(hù)是打印機(jī)控制系統(tǒng)好壞的重要標(biāo)志。由于行式熱敏打印機(jī)對(duì)發(fā)熱元件的加熱時(shí)間都是ms級(jí)的，如果對(duì)發(fā)熱元件連續(xù)加熱超過l s，將會(huì)燒壞打印頭，因此對(duì)打印頭的保護(hù)必須及時(shí)、可靠。從行式打印頭電路連接圖可以看出，要使發(fā)熱元件加熱，除寄存器中數(shù)據(jù)點(diǎn)為高外，還必須將頭電壓VH一24V供電電源打開。只要任一條件不滿足，就不可能給打印頭加熱，也就不會(huì)燒壞打印頭．所以對(duì)打印頭電壓設(shè)計(jì)了一個(gè)電源保護(hù)電路。

    如果打印過程中打印頭過熱，就必須停止打印，否則會(huì)燒壞打印頭。打印頭內(nèi)置熱敏電阻由THERMIST()R連接到外部檢測(cè)電路，經(jīng)過LM339M比較器，一旦溫度超過極限溫度，就通過OVER_HOT腳發(fā)出低電平給主控芯片．從而可以及時(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如圖5所示。

    打印過程中如果出現(xiàn)缺紙和開蓋的情況，同樣需要停止打印，否則會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。J4連接光敏對(duì)檢測(cè)缺紙電路，J8連接一個(gè)開關(guān)電路。當(dāng)缺紙和開蓋狀況出現(xiàn)時(shí)，電路將立即通過PAPER_SHORT腳和COVER_OPEN腳向ARM控制器發(fā)出低電平信號(hào)，控制器則立即停止打印頭和電機(jī)，停止任何打印操作，以免損壞打印頭。

2 心電圖熱敏打印機(jī)的軟件設(shè)計(jì)
    軟件的主要功能是接收來自主機(jī)(心電圖機(jī))通過USB口發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后判斷數(shù)據(jù)的內(nèi)容，根據(jù)指定的通信協(xié)議進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)包括三種情況：控制命令、心電圖數(shù)據(jù)和字符。對(duì)于心電圖數(shù)據(jù)，首先要判斷是幾導(dǎo)打印(本設(shè)計(jì)中分為同時(shí)打印1、3、6和12導(dǎo)四種情況)，然后將接收到的數(shù)據(jù)映射成點(diǎn)，通過SPI口，以串行方式送至打印頭的緩沖區(qū)進(jìn)行打印；如果有字符，則從外擴(kuò)的DATAFLASH中取出各字符的字形碼，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換．然后送往打印頭的緩沖區(qū)進(jìn)行打印；如果數(shù)據(jù)是控制命令，則轉(zhuǎn)到相應(yīng)控制命令的執(zhí)行程序。

    在對(duì)打印頭傳送數(shù)據(jù)時(shí)，使用了ARM控制器的SPI口，因ARM只需向打印頭單向傳送數(shù)據(jù)，僅是主從式工作方式，所以只要通過3根線——時(shí)鐘線(SPKCLK)、數(shù)據(jù)輸出線(SPIMOSI)、片選線(CS)進(jìn)行通信，內(nèi)部通過SPIDAT寄存器完成轉(zhuǎn)換。打印機(jī)有3種打印速度可供用戶選用：50 mm／s、25 mm／s和12．5 mm／s。當(dāng)采用最高的50 mm／s速度打印時(shí)，必須保證電機(jī)走紙內(nèi)打印頭數(shù)據(jù)已經(jīng)傳送到打印頭。普通8位單片機(jī)此時(shí)就不能滿足要求，這就是本設(shè)計(jì)采用ARM的原因之一。圖6是打印頭的加熱控制時(shí)序圖。

    軟件設(shè)計(jì)中的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是將打印數(shù)據(jù)映射成點(diǎn)，再打印到紙上。映射的點(diǎn)必須和打印紙上的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，所以合理分配每導(dǎo)在打印紙上的空間就十分重要，既要分配充分，又不能相互重疊。打印紙的寬度是216ms，與1728個(gè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，12導(dǎo)可以成行排列同時(shí)打印。

    圖7是標(biāo)準(zhǔn)心電波形圖

    由圖7可以看出，心電波形圖絕大部分都在基線的一邊，故相鄰的導(dǎo)聯(lián)波形在一側(cè)可以共用部分空間，而不至于導(dǎo)聯(lián)波形重疊。程序框圖和程序在此省略。

結(jié)語
    本設(shè)計(jì)充分利用了ARM芯片AT91sAM7S64的資源，完成了采用USB借口技術(shù)的熱敏打印機(jī)的開發(fā)，并對(duì)打印機(jī)頭作了充分的保護(hù)。通過采用響應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)了心電圖的高達(dá)12導(dǎo)聯(lián)的多導(dǎo)同時(shí)打印，在實(shí)際應(yīng)用中效果良好。