基于熱敏打印機(jī)的心電圖形快速打印方法的研究及應(yīng)用實(shí)例

　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(cè)心電信號(hào)，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(diǎn)。與之相比，數(shù)字式心電圖機(jī)通過軟件實(shí)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(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，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(diǎn)對(duì)應(yīng)起來，還要根據(jù)信號(hào)變化的趨勢(shì)，在這些點(diǎn)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(gè)系統(tǒng)開發(fā)的難點(diǎn)和關(guān)鍵，而高效打印算法對(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)多種方式的心電圖形打印，并重點(diǎn)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(jì)

　　系統(tǒng)配置了一個(gè)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(diǎn)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(dòng)，可在熱敏打印紙上產(chǎn)生1728個(gè)點(diǎn)，對(duì)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)的兩個(gè)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(shí)將其輸出到打印機(jī)打印。這樣節(jié)省了存儲(chǔ)器空間；缺點(diǎn)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(diǎn)位置，并且每輸出一點(diǎn)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(gè)點(diǎn)與216×8位數(shù)據(jù)相對(duì)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(shí)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(diǎn)是占用系統(tǒng)資源，這一點(diǎn)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、縱向打印（打印效果如圖2）。在每一種打印程序中實(shí)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(shí)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(gè)主器件可以帶多個(gè)從器件，主器件通過片選線控制總線沖突，使同一時(shí)刻只有一個(gè)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(shí)序，但普通52單片機(jī)無SPI口，所以采用I/O口線模擬SPI時(shí)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(shí)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(diǎn)數(shù)為1728點(diǎn)，分辨率為8mm/mV，對(duì)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(shí)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(hào)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(dòng)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(chǎng)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(duì)ACC循環(huán)右移實(shí)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(shí)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(hào)

　　NOP

　　SETB P1.2

　　NOP

　　CLR P1.0 ;產(chǎn)生加熱脈沖

　　LCALL HEATDLY ；調(diào)用加熱延時(shí)程序

　　SETB P1.1

　　LCALL MOTOR_RUN ；步進(jìn)電機(jī)走紙

　　恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)

　　RET

2.2 打印算法

　　數(shù)字打印機(jī)實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與打印點(diǎn)的對(duì)應(yīng)，也就是說8位心電數(shù)據(jù)數(shù)值范圍為0～255，對(duì)應(yīng)于熱敏打印紙上的256點(diǎn)，通過加熱敏單元使紙上某點(diǎn)變黑顯示數(shù)據(jù)的大小。這就需要將表征實(shí)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(diǎn)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(duì)應(yīng)的點(diǎn)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(duì)應(yīng)的點(diǎn)打印出來，得到只是一些離散的點(diǎn)，要想獲得連續(xù)的心電圖形，需要將相鄰的離散點(diǎn)按照一定的算法將它們連接起來，對(duì)于縱向打印方式和橫向打印方式，離散點(diǎn)連線算法是不同的。限于篇幅，在下面介紹打印方式的實(shí)現(xiàn)中，僅對(duì)橫向12導(dǎo)同步打印和縱向打印進(jìn)行詳細(xì)闡述，而對(duì)6導(dǎo)聯(lián)打印僅介紹其實(shí)現(xiàn)思想。

　　2.2.1 橫向6導(dǎo)聯(lián)打印

　　心電圖紙長(zhǎng)度為216mm，為每一導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)分配32mm,對(duì)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(chǔ)于這32個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)過程中，注意到在大多情況下一個(gè)完事心電波形中僅QRS波主峰較高可以點(diǎn)滿整個(gè)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(duì)比同一時(shí)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(huì)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(shí)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(duì)應(yīng)的內(nèi)存單元也會(huì)出現(xiàn)復(fù)用的情況。如果簡(jiǎn)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(huì)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(gè)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(gè)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(gè)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(duì)應(yīng)），將12導(dǎo)聯(lián)分為兩組：一組（I，III，aVL,V1,V3,V5）仍然存儲(chǔ)于內(nèi)部存儲(chǔ)器，而另一組（II，aVF,V2,V4,V6）存儲(chǔ)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(shí)，將兩部分按照對(duì)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(duì)于某導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)，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(duì)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(gè)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(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)數(shù)（n-k）字節(jié)的第1位。即該心電數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)，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(duì)于一個(gè)導(dǎo)聯(lián)的心電信號(hào)，要實(shí)現(xiàn)心電圖打印，必須將盯連兩個(gè)心電數(shù)據(jù)用線連接。即對(duì)于一條心電曲線，起始顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)在起始列只顯示1點(diǎn)；從第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)開始，要在下一列顯示上一數(shù)據(jù)點(diǎn)到此次數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的線段。在熱敏打印紙上表現(xiàn)為將兩數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的點(diǎn)都加熱，對(duì)應(yīng)于內(nèi)存則是將兩點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)都置1。

　　對(duì)于—導(dǎo)聯(lián)的心電信號(hào)，先讀出第一個(gè)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)相比較，用大數(shù)對(duì)應(yīng)的位置數(shù)據(jù)減去小數(shù)對(duì)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(gè)位置數(shù)據(jù)中非零字節(jié)之間的數(shù)據(jù)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，只需對(duì)這些字節(jié)進(jìn)行減法操作，而不必計(jì)算所有的32個(gè)字節(jié)。對(duì)于加法，也只需將大數(shù)對(duì)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(duì)于導(dǎo)聯(lián)V6心電信號(hào)，前一個(gè)數(shù)據(jù)37H，下一個(gè)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(jì)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(shí)刻的各個(gè)波形的變化趨勢(shì)，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(diǎn)，將這些點(diǎn)與某一導(dǎo)聯(lián)連續(xù)的1728個(gè)心電數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，也就是說導(dǎo)聯(lián)順序第n個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于一線圖形中的第n個(gè)點(diǎn)。與模向打印相比縱向打印仍然要解決將離散的點(diǎn)連接起來的問題；但與橫向順序打印方式，即打印點(diǎn)按時(shí)間順序打印相比，其難點(diǎn)在于需要將不同時(shí)刻同一幅值的多個(gè)點(diǎn)同時(shí)打印出來，即打印點(diǎn)按空間順序打印。

　　首先定義一個(gè)內(nèi)存單元存儲(chǔ)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(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較：相同則對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(diǎn)與掃描值相比較，只要其中一個(gè)比掃描值大，則對(duì)應(yīng)點(diǎn)被描記，要描記的噗將其內(nèi)存對(duì)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(gè)心電數(shù)據(jù)是v，而此時(shí)的掃描值為w：①v>w，則繼續(xù)比較第m+1個(gè)數(shù)據(jù)；②v=w，則對(duì)應(yīng)點(diǎn)需要被描記；③v<w，則需要分別比較第m-1個(gè)和第m+1個(gè)數(shù)與w的關(guān)系，如果其中的某一個(gè)較w大，則對(duì)應(yīng)的點(diǎn)需要被描記。假設(shè)經(jīng)過判斷第m個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)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(gè)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。