基于RPI的便攜式低功耗心電圖機計量檢定儀系統設計及功能測試

摘" 要：探究基于RPI微處理器的便攜式低功耗心電圖機計量檢定儀系統的設計要點，并對其基本功能和檢定性能進行測試。該檢定儀的硬件部分以RPI處理器為核心，通過USB口、GPIO口等與D/A轉換器、信號調節模塊、信號疊加模塊等進行通信，將處理后的信號送入被檢設備中；軟件部分包含被檢設備選擇界面和檢定項目選擇界面，可獲取波形、頻率、幅值等數字信號，支持衰減電路、疊加電路以及輸出導聯的選擇。從測試情況看，該檢定儀系統操作界面簡潔，人機交互友好，在不同條件下輸出心率信號的精度均滿足國家計量規程中的精度要求。

關鍵詞：RPI處理器；檢定儀；心率信號；導聯選擇；衰減電路

中圖分類號：TH77" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）06-0117-04

Abstract： This paper explores the design points of a portable low-power electrocardiogram measurement and calibration system based on RPI microprocessor， and tests its basic functions and calibration performance. The hardware part of the calibration instrument is centered around an RPI processor， which communicates with D/A converters， signal conditioning modules， signal superposition modules， etc. through USB ports， GPIO ports， etc.， and sends the processed signals to the device being tested; the software part includes a equipment under test selection interface and a verification item selection interface， which can obtain digital signals such as waveform， frequency， and amplitude， and support the selection of attenuation circuits， superposition circuits and output leads. Judging from the test situation， the operating interface of the calibration instrument system is simple， the human-computer interaction is friendly， and the accuracy of the output heart rate signal under different conditions meets the accuracy requirements in the national metrology regulations.

Keywords： RPI processor; calibration instrument; heart rate signal; lead selection; attenuation circuit

檢定儀可以對心電圖機、心電監護儀等醫療設備進行標定，保證設備輸出信號精確。在設計檢定儀時，一方面要求其計量性能必須滿足JJG 543—2008《心電圖機檢定規程》等相關的國家計量技術規范；另一方面還必須從實際檢定工作出發，對檢定儀的操作和顯示界面以及尺寸、功耗等作出優化，從而改善使用體驗。主控處理器的選型是檢定儀設計的關鍵，RPI處理器以ARM芯片為基礎，在升級內存硬盤的基礎上提供了更加豐富的通信接口，基于RPI設計檢定儀系統不僅降低了開發難度，而且提高了系統的穩定性和可擴展性。

1" 基于RPI的便攜式低功耗心電圖機計量檢定儀系統設計

1.1" 檢定儀的硬件設計

1.1.1" 硬件系統組成

檢定儀的硬件系統由4個模塊組成：①波形產生模塊，該模塊的核心是RPI（Raspberry Pi）微型控制器，自帶4個USB接口和1個100 M以太網接口，支持藍牙和Wi-Fi 2種無線通信模式兼容Windows、Linux、Fedora等主流操作系統。利用RPI產生數字信號，再通過D/A轉換將數字信號轉換成模擬信號并發送至下一模塊。②信號調節模塊，該模塊通過信號幅值調節的方式，選擇不同的衰減電路，并將初始的V級電壓信號衰減成μV級或者mV級電壓信號。③信號疊加模塊，依據檢定規程對前面的衰減信號進行信號疊加處理，可疊加的型號包括耐極化電壓（如+300 mV直流電壓）、各類阻抗（如模擬皮膚阻抗）等[1]。④信號輸出模塊，該模塊的核心是導聯電極，可以提供R、F、L以及C1—C6共9個電極，選擇相應的信號輸出途徑后將信號送入被檢測設備中，完成對設備的檢定。檢定儀的硬件組成如圖1所示。

1.1.2" 主控處理器RPI電路設計

在檢定儀的使用過程中，用戶從一塊電容型LCD觸摸顯示屏上編輯指令。RPI接收該指令并確定需要輸出的檢定信號（如波形、幅值、頻率等），然后通過GPIO口控制其他模塊完成信號處理。為了保證RPI處理器與其他功能模塊之間的正常通信，需要合理利用RPI接口設計周邊電路，如圖2所示。

如圖2所示，電源通過Micro USB接口為RPI處理器供電，鼠標輸入指令通過USB接口發送至RPI，處理結果經DSI接口反饋至觸摸顯示屏進行可視化呈現。D/A轉換結果由SPI口發送至RPI處理器。RPI通過GPIO口控制各種信號模擬開關（如信號衰減模擬開關、信號疊加模擬開關），以便于實現信號的處理[2]。

1.2" 檢定儀的軟件設計

本文在設計檢定儀的軟件部分時，除了考慮國家計量檢定規程外，還基于檢定人員的操作習慣對操作界面進行了優化。軟件設計主要包含2個方面：其一是操作界面，將被檢測設備界面作為一級界面，用戶可以在當前界面上選定需要檢定的設備，如心電圖機、心電監護儀等。將檢定項目界面作為二級界面，根據被檢設備類型的不同，二級頁面上包含的檢定項目在5～10個不等，如設定導聯電極、設置輸出信號等[3]。為了優化用戶體驗，在選擇檢定項目后自動給出輸出信號的波形、頻率、幅值等參數，不需要用戶單獨設置。其二是檢定信號輸出，具體又分為數字信號產生與硬件設置2個部分，前者是利用函數模型將獲取到的信號轉化成定時輸出的檢定信號，后者則包括硬件初始化、疊加信號選擇等。檢定儀的軟件系統組成如圖3所示。

1.3" 檢定儀軟件和硬件的交互設計

本文基于RPI設計的心電圖機計量檢定儀，其軟件部分在RPI處理器上運行，通過支持MIPI-DSI協議的帶狀排針與LCD液晶顯示屏實現信息交互。在RPI處理器產生數字信號后經D/A轉換器變為模擬信號，其中RPI處理器與D/A轉換器之間的通信執行SPI協議。模擬信號在定時器的控制下實現定時輸出。檢定儀的操作步驟如下：用戶首先在一級界面上選定被檢設備，單擊鼠標左鍵后跳轉至對應的二級界面。在當前界面上，用戶遵循檢定規程選擇檢定項目、導聯電極。此時系統執行一個判斷程序“是否調整參數？”，如果檢定項目需要對各項參數進行調整，則通過“+”或“-”實現參數的調整，調整后再次執行上述判斷程序，直到判斷結果為“N”，跳出循環程序并判斷“是否換擋？”。如果檢定項目有多組幅值、頻率的信號輸出，需要對各組參數執行換擋操作，在換擋完成后輸出相應的信號。判斷所有檢定項目是否結束，如果有其他檢定項目則重復上述流程進行檢定，在全部項目檢定結束后結束程序[4]。檢定儀的操作流程如圖4所示。

2" 基于RPI的便攜式低功耗心電圖機計量檢定儀功能測試

2.1" 操作界面功能測試

選擇一臺裝有Windows10系統的計算機，安裝交叉編譯工具鏈，將Windows系統與RPI處理器的Linux系統進行交叉編譯，使檢定儀的操作界面能夠在計算機顯示屏上呈現出來。同步運行檢定儀的硬件和軟件后進入到登錄界面，輸入賬戶名與密碼點擊“確定”，跳轉至“便攜式低功耗心電圖機計量檢定儀”一級界面，該界面上有定標電壓、電壓測量、時間間隔和幅頻特性等功能選項。選擇對應的功能后跳轉至對應的二級界面，以“定標電壓”為例，在二級界面上可以設定導聯、幅度、頻率等參數，以及是否進行換擋。經過測試，便攜式低功耗心電圖機計量檢定儀系統的操作界面設計友好、簡潔方便，能夠滿足檢定需求。

2.2" 系統輸出功能測試

本文設計的檢定儀系統可通過RPI處理器輸出多種信號，如方波信號、微分信號、心率信號等。這些數字信號再通過D/A轉換器變成模擬信號，然后才能進行幅值調節、信號疊加等一系列處理。信號質量決定了檢定結果的準確性，也是衡量檢定儀系統應用效果的重要指標，本文選擇心率（HR）信號對系統性能進行了驗證。在測試中，改變心率信號的電壓峰值和頻率，統計不同條件下檢定儀系統輸出心率信號的相對誤差[5]。將電壓峰值分別設定為0.5、1、3、-0.5、-1 和-3 mV，進行6組測試。為了消除誤差，每組測試重復進行3次，取3次測試數據的平均值作為最終結果，統計結果見表1。

由表1數據可知，6組測試中輸出信號的最大誤差為0.03%（取絕對值），該值遠遠低于國家計量規程中設定的3%的計量精度要求，說明檢定儀心率信號輸出幅度精度較高。同樣地，將頻率分別設定為0.1、1、10和100 Hz，進行6組測試，每組重復3次取平均值，4種頻率下檢定儀心率信號的精度見表2。

由表2數據可知，4種頻率下心率信號的最大誤差為0.03%，低于國家計量規程中設定的1%的計量精度要求。并且在頻率為1 Hz以內（即心率值為60次/min）時，檢定儀系統輸出的心率信號為0誤差，說明心率信號輸出精度較高，能夠滿足日常的檢定需要。

3" 結束語

心電圖機、心電監護儀等設備將檢測到的心電信號以波形的形式輸出，以便于醫護人員判定患者的生命體征和健康狀況，因此保證心電圖機輸出信號的準確性至關重要。本文基于RPI微處理器設計的心電圖機計量檢定儀，可以通過D/A轉換器自動將獲取的數字信號轉變成模擬信號，并對模擬信號進行衰減、疊加等處理，保證最終檢定結果的精確性。同時，該檢定設備還具有尺寸小巧、功耗較低、方便攜帶等特點，支持不同場景下對心電圖機、腦電圖機、心電監護儀等常用設備的檢定。從測試情況來看，該檢定儀在不同電壓峰值和頻率下輸出心率信號的精度均在國家計量規程允許誤差之內，可以滿足檢定要求。

參考文獻：

[1] 徐靜.基于并聯方式的動態（可移動）心電圖機計量檢定方案[J].中國計量，2023（4）：111-112.

[2] 陳成新，索彥彥，徐濤，等.數字心電圖機計量檢定心率顯示問題的探究[J].計量與測試技術，2024（6）：87-88.

[3] 張岳.SE-1200Express心電圖機的工作原理及故障分析處理[J].城市周刊，2022（17）：67-69.

[4] 薛程昱，左華振，李小玲.數字心電圖機計量檢定心率不顯示問題研究[J].中國質量監管，2023（12）：98-99.

[5] 徐靜，楊帆，馬雯.數字心電圖機心率檢定中存在的問題與解決方案[J].計量與測試技術，2023（4）：91-92.

作者簡介：張榮毅（1993-），男，助理工程師。研究方向為計量檢定。