基于熱敏打印機的心電圖形快速打印方法的研究及應(yīng)用實例

1、基于熱敏打印機的心電圖形快速打印方法的研究及應(yīng)用實例普遍用法的心電圖機絕大多數(shù)是機電式的，即通過電極檢測心電信號，放大后挺直記錄，存在著打印效率低、噪聲污染嚴(yán)峻、心電波形失真等缺點。與之相比，數(shù)字式心電圖機通過軟件實現(xiàn)噪聲抑制和心電參數(shù)的提取，并采納數(shù)字式打印機輸出心電圖形，可為醫(yī)護人員提供更完善心電圖和更多診斷信息，必將成為市場的進展趨勢，有著更廣大的應(yīng)用前景。因為數(shù)字心電圖機通過采集的數(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，還要按照信號變幻的趨勢，在這些點之間連線，使之成為延續(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、精確、迅速打印出來是囫

2、圇系統(tǒng)開發(fā)的難點和關(guān)鍵，而高效打印算法對數(shù)字心電圖機的開發(fā)無疑是很故意義的。隨著技術(shù)的進展，打印機已經(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。而其中熱敏打印機憑其體積小、分量輕、牢靠性高、打印字符清楚、無噪聲、走紙勻稱等獨特能而越來越受到青睞，更是成為小型醫(yī)療儀器如心電圖機的首先。下面以筆者課題組開發(fā)的12導(dǎo)同步心電圖機為例，介紹以一般52為主控芯片應(yīng)用串行熱敏打印機實現(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)計劃。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，它主要由熱敏打印頭（w216-qs）和組成。w126-qs點陣式熱敏打印頭打印數(shù)

3、據(jù)采納串行輸入，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，辨別率為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)采納了口線模擬spi的工作方式與打印頭通信，1所示。/table考慮到52單片機內(nèi)部令有256字節(jié)的內(nèi)部ram，系統(tǒng)還外擴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：如何將心電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成打印數(shù)據(jù)；假如將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)字打印機。通常采

4、納的辦法是轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)同時將其輸出到打印機打印。這樣節(jié)約了存儲器空間；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)存中開拓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)得尤為顯然。

5、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?）。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）串口是由motorola公司提出的一種同步串行外設(shè)接口，通過四根線舉行通信：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

6、片選線控制總線矛盾，使同一時刻惟獨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數(shù)據(jù)傳輸采納spi時序，但一般52單片機無spi口，所以采納i/o口線模擬spi時序?？紤]到系統(tǒng)中作為主器件總是發(fā)送數(shù)據(jù)，而數(shù)字打印機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，辨別率為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

7、至打印機的移位寄存器中，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)動步進電機向前走紙即可以延續(xù)打印。spi口模擬程序如下：output：現(xiàn)場庇護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setb p1.1 ；模擬spi時鐘nopclr p1.1djnz r7,cont_chg

8、 ；推斷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；推斷數(shù)據(jù)是否所有轉(zhuǎn)換完clr p1.2 ；產(chǎn)生數(shù)據(jù)鎖存信號nopsetb p1.2nopclr p1.0 ;產(chǎn)生加熱脈沖lcall heatdly ；調(diào)用加熱延時程序setb p1.1lcall motor_run ；步進電機走紙復(fù)原現(xiàn)場ret2.2 打印算法數(shù)字打印機實質(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0255，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

9、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。但是因為系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得的心電數(shù)據(jù)是離散的，假如僅將它們對應(yīng)的點打印出來，得到只是一些離散的點，要想獲得延續(xù)的心電圖形，需要將相鄰的離散點根據(jù)一定的算法將它們銜接起來，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舉行具體闡述，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)中延續(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

10、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)。詳細的實現(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，注重到在大多狀況下一個完事心電波形中僅qrs波主峰較高可以點滿囫圇空間外，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)生對照同一時刻不同導(dǎo)聯(lián)的心電波形。而采納12導(dǎo)聯(lián)同步打印，雖然會浮現(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，不行避開地浮

11、現(xiàn)不同導(dǎo)聯(lián)心電圖形重疊的現(xiàn)象，對應(yīng)的內(nèi)存單元也會浮現(xiàn)復(fù)用的狀況。假如容易地套用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0x1dh0xedh）。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用法狀況也與之類似。為此在外部ram開拓一個內(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，i

12、ii，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，將兩部分根據(jù)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)約了內(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

13、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)中惟獨第（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，必需將盯連兩個心電數(shù)據(jù)用線銜接。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；從其次個數(shù)據(jù)點開頭，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)挺直打印。從其次個心電數(shù)據(jù)開頭，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)

14、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)覺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)舉行減法操作，而不必計算全部的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)舉行加法，即舉行單字節(jié)加法。舉例解釋，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1dh3dh，根據(jù)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。因為37h55h，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4所示。table2.3 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幻趨勢，為疾病的診斷提供便利。熱敏打印紙寬度為216mm，辨別率為8dot/mm，這樣最多能夠打印1728點，將這些點與某一導(dǎo)聯(lián)延續(xù)的1728個心電數(shù)據(jù)相對應(yīng)，也就是說導(dǎo)聯(lián)挨次第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銜接起來的問題；但與橫向挨次打印方式，即打印點按時光挨次打印相比，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，即打印點按空間挨次打