基于熱敏打印機的心電圖形快速打印方法的研究及應用實例

　目前，我國各醫院普遍使用的心電圖機絕大多數是機電式的，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、噪聲污染嚴重、心電波形失真等缺點。與之相比，數字式心電圖機通過軟件實現噪聲抑制和心電參數的提取，并采用數字式打印機輸出心電圖形，可為醫護人員提供更完美心電圖和更多診斷信息，必將成為市場的發展趨勢，有著更廣闊的應用前景。由于數字心電圖機通過ADC采集的數據是離散的，要將其在圖紙上還原為原始的心電圖形，除了要將數據與圖紙上的離散點對應起來，還要根據信號變化的趨勢，在這些點之間連線，使之成為連續的圖形。將心電數據尤其是多導聯心電數據同步、準確、快速打印出來是整個系統開發的難點和關鍵，而高效打印算法對數字心電圖機的開發無疑是很有意義的。

　　隨著電子技術的發展，打印機已經廣泛應用到各個領域，成為各種智能數字化儀器儀表的重要數據輸出手段。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，更是成為小型醫療儀器如心電圖機的首先。

　　下面以筆者課題組開發的12導同步心電圖機為例，介紹以普通52單片機為主控芯片應用串行熱敏打印機實現多種方式的心電圖形打印，并重點描述了12導聯同步打印方式的程序實現方案。

　　1 系統硬件設計

　　系統配置了一個內置式數字打印機，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據采用串行輸入，其內部不僅包含有由C-MOS集成芯片構成的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動，可在熱敏打印紙上產生1728個點，對應的打印寬度為216mm，分辨率為8dot/mm。熱敏打印頭所需的打印數據為串行數據，數據傳輸遵循SPI口的通信協議。系統采用了口線模擬SPI的工作方式與打印頭通信，電路如圖1所示。

　　考慮到52單片機內部令有256字節的內部RAM，系統還外擴1片HM628128存儲12導心電數據和中間轉換結果。

　　2 系統軟件編寫

　　數字打印實現的兩個關鍵問題：①如何將心電數據轉換成打印數據；②如果將數據輸出到數字打印機。通常采用的方法是轉換數據同時將其輸出到打印機打印。這樣節省了存儲器空間；缺點是程序實現復雜，通用性差（不同打印方式的數據輸出程序不同），系統功能不易擴展，數據轉換和輸出都要考慮打印點位置，并且每輸出一點的數據都要調用一次程序，加大了系統開銷。系統軟件中沒有采有這種方式，而是在內存中開辟216字節打印緩沖區，將熱敏打印頭1728個點與216×8位數據相對應，每次將要打印的一線數據都轉換完再輸出。這樣只需在數據轉換時考慮打印位置和方式，輸出程序只需將216字節的數據按位輸出即可，并且每打印一線數據只需調用一次輸出子程序，字節了系統開銷。缺點是占用系統資源，這一點在12導同步打印表現得尤為明顯。

　　系統程序實現三種打印方式：分兩次打印12導聯數據，每次打印6導、12導同步打印、縱向打印（打印效果如圖2）。在每一種打印程序中實現模擬SPI口將打印數據送至數字打印機的子程序共用，不同處在于如何將心電數據轉換成打印數據。

　　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接口，通過四根線進行通信：時鐘線（SPKCLK）、數據輸出線（SPIMISO）、數據輸出線（SPIMOSI）、片選線（CS），內部通過SPIDAT寄存器完成串-并/并-串轉換。它主要工作在主從式系統中，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據。

　　系統應用的串行熱陣式打印機數據傳輸采用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。考慮到系統中MCU作為主器件總是發送數據，而數字打印機作為唯一從器件又總是接收數據，所以只需用口線模擬SPI口的時鐘線（SPIKCLK）、數據輸出線（SPIMOSI），程序模擬SPIDAT完成并-串轉換即可。如前所提到打印頭打印的數據點數為1728點，分辨率為8mm/mV，對應216字節的數據，為此從內部RAM中分配出216字節的空間作為打印緩沖區，程序從緩沖區依次讀數據，在模擬時鐘線的控制下將并行數據轉換成的串行數據按位依次送至打印機的移位寄存器中，結束后送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，驅動步進電機向前走紙即可以連續打印。SPI口模擬程序如下：

　　OUTPUT：

　　現場保護

　　LCALL INTRAM ；初始化內部打印緩沖區

　　MOV R0，#Dat_Buff ；初始化R0為緩沖區末位地址

　　DAT_OUT:

　　MOV A,@R0 ;從緩沖區讀數據

　　MOV R7，#08H ；初始化R7控制并/串數據轉換

　　CONT_CHG：

　　RRC A ；對ACC循環右移實現并-串轉換

　　MOV P1.3,C 將串行數據送至打印機

　　SETB P1.1 ；模擬SPI時鐘

　　NOP

　　CLR P1.1

　　DJNZ R7,CONT_CHG ；判斷1字節數據是否轉換完

　　DEC R0 ；尋址下一字節

　　CJNE R0，#15H，DAT_OUT；判斷數據是否全部轉換完

　　CLR P1.2 ；產生數據鎖存信號

　　NOP

　　SETB P1.2

　　NOP

　　CLR P1.0 ;產生加熱脈沖

　　LCALL HEATDLY ；調用加熱延時程序

　　SETB P1.1

　　LCALL MOTOR_RUN ；步進電機走紙

　　恢復現場

　　RET

2.2 打印算法

　　數字打印機實質上實現了數據與打印點的對應，也就是說8位心電數據數值范圍為0～255，對應于熱敏打印紙上的256點，通過加熱敏單元使紙上某點變黑顯示數據的大小。這就需要將表征實際心電大小的數據（以下稱為原始數據）轉換成能夠指示加熱點位置的數據（以下稱為位置數據），通過位置數據的控制將心電數據對應的點依次打印出來，就可獲得心電圖。但是由于系統模數轉換器獲得的心電數據是離散的，如果僅將它們對應的點打印出來，得到只是一些離散的點，要想獲得連續的心電圖形，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中，僅對橫向12導同步打印和縱向打印進行詳細闡述，而對6導聯打印僅介紹其實現思想。

　　2.2.1 橫向6導聯打印

　　心電圖紙長度為216mm，為每一導聯心電信號分配32mm,對應于打印緩沖區中連續的32字節，打印數據轉換后的位置數據存儲于這32個字節中。12導聯的心電數據被分為兩大組，當一組打印完成再打印剩下的6導聯的數據。具體的實現過程可參考橫向12導聯打印方式。

　　2.2.2 橫向12導聯同步打印

　　在6導聯打印方式實現過程中，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導聯分開打印，不利于醫生對比同一時刻不同導聯的心電波形。而采用12導聯同步打印，雖然會出現波形部分重疊，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導聯同步打印程序實現的基本思想與6導聯同步打印相同，不同在于將12導聯的數據同時在216mm寬的打印紙上打印出來，不可避免地出現不同導聯心電圖形重疊的現象，對應的內存單元也會出現復用的情況。如果簡單地套用6導聯打印程序，那么前一導聯的數據會被相鄰導聯數據沖掉，從而使圖形無法正確顯示。圖3列出了為各個導聯分配的熱敏打印紙空間與緩沖內存單元（這里假定緩存地址為0x1DH～0xEDH）。從圖3中可以看出除了I導聯前16mm空間和V6導聯的后16mm空間沒有被復用，打印紙的其它空間都是被兩個導聯共用。內部RAM使用情況也與之類似。為此在外部RAM開辟一個內部打印緩沖區的影像區（大小為216字節，單元地址的低8位與內存相應單元相同，如內部RAM 0x1DH單元與外部RAM 0xXX1DH相對應），將12導聯分為兩組：一組（I，III，aVL,V1,V3,V5）仍然存儲于內部存儲器，而另一組（II，aVF,V2,V4,V6）存儲于外部影像區，在12導聯一線數據轉換完要打印時，將兩部分按照對應單元相與即可。這樣做不但可以解決上述問題，而且節省了內部資源、降低程序編寫的難度。

　　如前所述不同導聯所占的打印空間不同，所以，對于某導聯心電信號，先要確定其打印區間，然后再確定打印數據在該區間的相對位置。

　　假定某導聯所占打印空間的起始字節為第n個字節，而要打印的心電數據為m,將m除以8，得商k,余數為1，則此心電數據對應點對數（n-k）字節的第1位。即該心電數據對應的位置數據為第（n-k）字節（該字節的1位置1，其它位清零）。因此，打印此心電數據時，該導聯所要傳送的32字節打印數據中只有第（n-k）字節的第1位為1，其他都為0。

　　與液晶顯示相類似，對于一個導聯的心電信號，要實現心電圖打印，必須將盯連兩個心電數據用線連接。即對于一條心電曲線，起始顯示數據點在起始列只顯示1點；從第二個數據點開始，要在下一列顯示上一數據點到此次數據點之間的線段。在熱敏打印紙上表現為將兩數據點之間的點都加熱，對應于內存則是將兩點之間的數據都置1。

　　對于—導聯的心電信號，先讀出第一個心電數據，將其轉換成32字節位置數據直接打印。從第二個心電數據開始，除了要轉換成位置數據外，還要與上一個數據相比較，用大數對應的位置數據減去小數對應的，然后結果與大數的位置數據相加，結果即為此心電數據應送打的32字節數據，也即完成了與上一心電數據連線的操作。分析發現連線算法只影響相連兩個位置數據中非零字節之間的數據，為了簡化計算，只需對這些字節進行減法操作，而不必計算所有的32個字節。對于加法，也只需將大數對應位置數據中的非零字節進行加法，即進行單字節加法。

　　舉例說明，對于導聯V6心電信號，前一個數據37H，下一個數據為55H，導聯V6分配的打印區間為1DH～3DH，按照位置數據轉換算法，37H的位置數據為第37H字節，該字節內容為80H，其他字節都為00H；55H的位置數據為第33H字節，該字節內容為20H，其他字節為00H。由于37H〈55H，因此應是心電數據55H的位置數據減去33H的位置數據，計算如圖4所示。

　　2.3 縱向打印程序

　　縱向打印能夠實現將12導聯數據無重疊同步顯示。這樣醫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，將這些點與某一導聯連續的1728個心電數據相對應，也就是說導聯順序第n個數據對應于一線圖形中的第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。

　　首先定義一個內存單元存儲掃描值，使其從當前通道數據最大值變化到0，依次與通道的每一個數據進行比較：相同則對應點被描記；小則不被描記；大則需要將當前心電數據相鄰的兩點與掃描值相比較，只要其中一個比掃描值大，則對應點被描記，要描記的噗將其內存對應的數據位置1。

　　舉例說明，如果打印內存緩沖區的首字節為n，大小為216字節，而當前某一導聯順序第m個心電數據是v，而此時的掃描值為w：①v>w，則繼續比較第m+1個數據；②v=w，則對應點需要被描記；③v