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

　目前，我國各醫(yī)院普遍使用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)字式打印機輸出心電圖形，可為醫(yī)護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、重量輕、可靠性高、打印字符清晰、無噪聲、走紙均勻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，介紹以普通52單片機為主控芯片應(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)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，它主要由熱敏打印頭（W216-QS）和步進電機組成。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：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。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、縱向打印（打印效果如圖2）。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）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數(shù)據(jù)傳輸采用SPI時序，但普通52單片機無SPI口，所以采用I/O口線模擬SPI時序?？紤]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連續(xù)打印。SPI口模擬程序如下：

　　OUTPUT：

　　現(xiàn)場保護

　　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

　　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 ；步進電機走紙

　　恢復(fù)現(xiàn)場

　　RET

2.2 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)進行加法，即進行單字節(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