基于PWM的医疗器械报警声音播放平台设计

毛元龙，侯小飞，李正，吴庆伟，肖小兵，鲍胜文，牛占云

（1.河南驼人医疗器械研究院有限公司，河南长垣，453400；2.河南省医用高分子材料技术与应用重点实验室，河南长垣，453400）

0 引言

近年来，随着我国经济的高速发展、人们对健康重视程度的逐渐增高，以及“健康中国”战略、新医改、进口替代、产业升级等因素的影响下[1-2]，以创新为驱动力的医疗器械行业，逐渐成为我国高新技术产业的生力军，具有市场潜力巨大、市场竞争日趋激烈、产品向数字化智能化发展的特点[3]。

医疗器械关乎于人们的身体健康，需要具有更高的质量标准。为更好的规范医疗器械市场，使医疗器械产业更好的发展，国家相关部门陆续出台了医疗器械各方面的标准要求，确保市面上流通的医疗器械具有高质量、高水平，能够切实保障人们的身体健康[4]。因此，根据标准要求，大部分有源医疗器械，都需要具备一定的听觉报警功能。

1 平台设计基础

■1.1 标准解读

根据目前正在实施的YY 0709-2009《医用电气设备第1-8部分：安全通用要求》中，第201.3.3节“听觉报警信号”部分所要求，正常使用时不会时刻引起操作者注意的医疗器械，当进入中优先级及以上报警状态时，应发出听觉报警信号，以便操作人员能快速意识到，并识别出突发事件的紧急程度，以便及时采取有效措施。为此，报警声音应清晰、易分辨，不被环境噪声干扰。在标准中，还规定了报警声音应具备的频域特性和时域特征，如表1所示[5-6]。

表1 听觉报警信号脉冲的特征

按照标准要求，大部分有源医疗器械都必须具备一定的声音报警功能。普通的有源蜂鸣器虽然驱动简单、使用方便，但是声调简单，只能够发出一个固定的音色，无法调节输出波形，不满足标准要求，在医疗器械送检时难以通过音频测试。因此，目前多采用扬声器来播放报警声音。

扬声器又称喇叭，可以将依据音频文件产生的音频电能，通过电磁、压电或静电效应，转换成扬声器纸盆或膜片震动的机械能，并通过膜片和周围空气共振从而发出音频声音。

■1.2 理论依据

在采样控制理论中，有一个重要的结论[7-8]：“冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同”。其中，效果基本相同，是指输出的波形形状基本相同，即窄脉冲在低频段非常接近，可以视为相同，仅在高频段存在差异。

根据这一原理，我们可以控制单片机，输出一系列幅值相等、占空比随PCM数据大小变化的PWM（Pulse width modulation，脉冲宽度调试）信号，该信号各个脉冲和PCM数据对应的原信号等分部分面积成等比例关系。随后再对PWM信号进行低通滤波，滤除存在差异的高频段。根据奈奎斯特采样理论，标准中要求的4000Hz频率，远小于常用的计算机声卡采样频率44.1kHz，因此可视为正确重构了原声音信号。再经功率放大，即可驱动扬声器播放报警声音。

■1.3 音频文件处理

目前常用的音频文件分为声音文件、模块文件和MIDI文件三类。在此，我们选取声音文件中的WAV格式作为报警音频存储格式[9]。相比于其他的MP3、MIDI、RA等格式，WAV未采用任何压缩技术，直接存储经AD转换得到的声音采样数据；可以很方便的读出数据，绘制信号波形、频谱，进行时域、频域分析，添加谐波分量，最终合成为符合YY 0709要求的声音波形。

WAV格式，由微软公司开发，由若干个块（Chunk）组成，分别为RIFF WAVE 块、 Format 块、 Fact 块(可选)和Data 块，其中除Data块外均有固定的长度[10]。音频文件预处理时，用WinHex软件打开格式的目标文件，选取Data块的第一个数据（如图1中光标选中位置），设为选块起始位置，选取Data块的最后一个数据，设为选块尾部，然后左键点击编辑栏中的全部复制，选择复制到C源码，便将WAV文件中的PCM数据复制到了剪切板。在单片机程序编辑软件中，选择粘贴剪切板内容，即可将上一步所复制的PCM数据存储到一个大数组中，可以通过指针，在随后的编译中依次读取各个数据[11]。

图1 WinHex生成PCM数组

■1.4 PWM波形产生

PWM信号，本质上是由幅值、周期相同，占空比规律变化的矩形脉冲构成。因此，我们可以利用定时中断原理，启用两个单片机定时器中断来分别控制输出波形从高电平到低电平的跃变和从低电平到高电平的跃变，从而实现PWM波的生成。

单片机工作时，首先完成时钟设置、GPIO口设置、定时器1和定时器2初始化设置；然后依据内部程序命令，进入PWM波生成子程序。在子程序中，MCU根据音频文件的采样频率定时，并依次输出上一步所生成的PCM数据中的16进制的数据到TIM的捕获存储器，从而改变输出波形的占空比，进而产生一系列随幅值相同（为单片机额定高电平）、周期相同（音频文件采样周期）、占空比规律变化（PCM数据变化规律）的PWM波[12-13]。

2 平台实现

■2.1 平台总体设计

平台主要由单片机模块、低通滤波模块、D类功放模块和扬声器组成。单片机根据PCM数据，输出PWM信号；低通滤波模块将PWM信号还原为原音频相似信号；功放模块放大驱动电流；最后扬声器播放报警声音。具体电路图如图2所示。

■2.2 低通滤波电路设计

在系统设计中，PWM信号经低通滤波后，还会经放大器进行功率放大，因此可以不考虑滤波电路带负载能力，只求通频带内信号最好，故选用RC低通滤波电路[14]。

图2 平台电路图

按照标准规定，报警声音在300～4000Hz之间应有至少4个谐波分量，因此低通滤波电路的截止频率应在4000Hz以上。

随着滤波器阶数的增加，过渡带也会随之变窄，变化更加迅速，但是增加滤波阶数，也会增加成本和结构复杂性，以及后期调试的困难程度[15]。具体设计时要结合滤波指标要求综合考虑，此处我们选取二阶滤波电路进行低通滤波，如图2中的R1和C2、R2和C3。不同阶数的低通滤波器伯德图如图3所示（选用通频带最平坦、过渡带最窄的巴特沃斯滤波器模型仿真，截止频率定位5000Hz[16]）。

图3 1～5阶巴特沃斯低通滤波器伯德图

■2.3 D类功放模块设计

在图2平台电路图中，除低通滤波电路以外，为音频功放模块。常用的放大电路，有A、B、AB、D等类型，此设计中为保证信号放大后失真最小，同时电路效率最高，选用D类功放。图2中的U3即为常用的8引脚D类功放；其中，2引脚“BYPASS”提供芯片的基准电压，3、4引脚为芯片内部比较器的输入端，外接的阻容（R9和C9、R8和C7）电路，可作为耦合电容，连接语音芯片输出级和功放模块输入级，同时作为高通滤波器，滤除功放模块输入信号150Hz以下低频部分。

3 平台仿真验证

对于该设计，我们采用了Multisim进行仿真验证。首先，利用MATLAB将PCM数据转换为PWM信号高低电平转折点的时间和对应的电压值，以便在Multisim中使用分段线性电压源生成PWM波；再调用电阻电容搭建低通滤波网络；最后采用瞬态分析，以1μs的步进进行仿真。具体结果如图4和图5所示。

图4 PWM信号经二阶低通滤波后局部图形

由图5可知，经过低通滤波后，PWM信号可以还原成原音频信号，虽然有轻微的相移，但是实际测试中仍在误差允许范围之内；然后再经过功率放大，即可驱动不同的扬声器播放报警声音。

图5 PWM信号经二阶低通滤波后整体图形

4 结束语

本文详细介绍了一种基于PWM的医疗器械报警声音播放平台设计。该平台可以播放任意音频，满足我国医疗器械强制标准中的听觉报警要求；可以搭配各种单片机，只要单片机时钟频率满足定时器需求；可以仅使用一个IO口产生PWM信号，利用单片机自带的PWM产生功能或者自己编写程序生成PWM信号；可以对生成的PWM信号进行低通滤波和功率放大，来驱动任意型号扬声器播放想要的报警声音。该平台硬件电路简单，软件逻辑强，可以播放任意音频文件，具有性价比高、调试简单、性能稳定、设计灵活、任意移植的特点。