基于RPI的便携式低功耗心电图机计量检定仪系统设计及功能测试

摘" 要：探究基于RPI微处理器的便携式低功耗心电图机计量检定仪系统的设计要点，并对其基本功能和检定性能进行测试。该检定仪的硬件部分以RPI处理器为核心，通过USB口、GPIO口等与D/A转换器、信号调节模块、信号叠加模块等进行通信，将处理后的信号送入被检设备中；软件部分包含被检设备选择界面和检定项目选择界面，可获取波形、频率、幅值等数字信号，支持衰减电路、叠加电路以及输出导联的选择。从测试情况看，该检定仪系统操作界面简洁，人机交互友好，在不同条件下输出心率信号的精度均满足国家计量规程中的精度要求。

关键词：RPI处理器；检定仪；心率信号；导联选择；衰减电路

中图分类号：TH77" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

检定仪可以对心电图机、心电监护仪等医疗设备进行标定，保证设备输出信号精确。在设计检定仪时，一方面要求其计量性能必须满足JJG 543—2008《心电图机检定规程》等相关的国家计量技术规范；另一方面还必须从实际检定工作出发，对检定仪的操作和显示界面以及尺寸、功耗等作出优化，从而改善使用体验。主控处理器的选型是检定仪设计的关键，RPI处理器以ARM芯片为基础，在升级内存硬盘的基础上提供了更加丰富的通信接口，基于RPI设计检定仪系统不仅降低了开发难度，而且提高了系统的稳定性和可扩展性。

1" 基于RPI的便携式低功耗心电图机计量检定仪系统设计

1.1" 检定仪的硬件设计

1.1.1" 硬件系统组成

检定仪的硬件系统由4个模块组成：①波形产生模块，该模块的核心是RPI（Raspberry Pi）微型控制器，自带4个USB接口和1个100 M以太网接口，支持蓝牙和Wi-Fi 2种无线通信模式兼容Windows、Linux、Fedora等主流操作系统。利用RPI产生数字信号，再通过D/A转换将数字信号转换成模拟信号并发送至下一模块。②信号调节模块，该模块通过信号幅值调节的方式，选择不同的衰减电路，并将初始的V级电压信号衰减成μV级或者mV级电压信号。③信号叠加模块，依据检定规程对前面的衰减信号进行信号叠加处理，可叠加的型号包括耐极化电压（如+300 mV直流电压）、各类阻抗（如模拟皮肤阻抗）等[1]。④信号输出模块，该模块的核心是导联电极，可以提供R、F、L以及C1—C6共9个电极，选择相应的信号输出途径后将信号送入被检测设备中，完成对设备的检定。检定仪的硬件组成如图1所示。

1.1.2" 主控处理器RPI电路设计

在检定仪的使用过程中，用户从一块电容型LCD触摸显示屏上编辑指令。RPI接收该指令并确定需要输出的检定信号（如波形、幅值、频率等），然后通过GPIO口控制其他模块完成信号处理。为了保证RPI处理器与其他功能模块之间的正常通信，需要合理利用RPI接口设计周边电路，如图2所示。

如图2所示，电源通过Micro USB接口为RPI处理器供电，鼠标输入指令通过USB接口发送至RPI，处理结果经DSI接口反馈至触摸显示屏进行可视化呈现。D/A转换结果由SPI口发送至RPI处理器。RPI通过GPIO口控制各种信号模拟开关（如信号衰减模拟开关、信号叠加模拟开关），以便于实现信号的处理[2]。

1.2" 检定仪的软件设计

本文在设计检定仪的软件部分时，除了考虑国家计量检定规程外，还基于检定人员的操作习惯对操作界面进行了优化。软件设计主要包含2个方面：其一是操作界面，将被检测设备界面作为一级界面，用户可以在当前界面上选定需要检定的设备，如心电图机、心电监护仪等。将检定项目界面作为二级界面，根据被检设备类型的不同，二级页面上包含的检定项目在5～10个不等，如设定导联电极、设置输出信号等[3]。为了优化用户体验，在选择检定项目后自动给出输出信号的波形、频率、幅值等参数，不需要用户单独设置。其二是检定信号输出，具体又分为数字信号产生与硬件设置2个部分，前者是利用函数模型将获取到的信号转化成定时输出的检定信号，后者则包括硬件初始化、叠加信号选择等。检定仪的软件系统组成如图3所示。

1.3" 检定仪软件和硬件的交互设计

本文基于RPI设计的心电图机计量检定仪，其软件部分在RPI处理器上运行，通过支持MIPI-DSI协议的带状排针与LCD液晶显示屏实现信息交互。在RPI处理器产生数字信号后经D/A转换器变为模拟信号，其中RPI处理器与D/A转换器之间的通信执行SPI协议。模拟信号在定时器的控制下实现定时输出。检定仪的操作步骤如下：用户首先在一级界面上选定被检设备，单击鼠标左键后跳转至对应的二级界面。在当前界面上，用户遵循检定规程选择检定项目、导联电极。此时系统执行一个判断程序“是否调整参数？”，如果检定项目需要对各项参数进行调整，则通过“+”或“-”实现参数的调整，调整后再次执行上述判断程序，直到判断结果为“N”，跳出循环程序并判断“是否换挡？”。如果检定项目有多组幅值、频率的信号输出，需要对各组参数执行换挡操作，在换挡完成后输出相应的信号。判断所有检定项目是否结束，如果有其他检定项目则重复上述流程进行检定，在全部项目检定结束后结束程序[4]。检定仪的操作流程如图4所示。

2" 基于RPI的便携式低功耗心电图机计量检定仪功能测试

2.1" 操作界面功能测试

选择一台装有Windows10系统的计算机，安装交叉编译工具链，将Windows系统与RPI处理器的Linux系统进行交叉编译，使检定仪的操作界面能够在计算机显示屏上呈现出来。同步运行检定仪的硬件和软件后进入到登录界面，输入账户名与密码点击“确定”，跳转至“便携式低功耗心电图机计量检定仪”一级界面，该界面上有定标电压、电压测量、时间间隔和幅频特性等功能选项。选择对应的功能后跳转至对应的二级界面，以“定标电压”为例，在二级界面上可以设定导联、幅度、频率等参数，以及是否进行换挡。经过测试，便携式低功耗心电图机计量检定仪系统的操作界面设计友好、简洁方便，能够满足检定需求。

2.2" 系统输出功能测试

本文设计的检定仪系统可通过RPI处理器输出多种信号，如方波信号、微分信号、心率信号等。这些数字信号再通过D/A转换器变成模拟信号，然后才能进行幅值调节、信号叠加等一系列处理。信号质量决定了检定结果的准确性，也是衡量检定仪系统应用效果的重要指标，本文选择心率（HR）信号对系统性能进行了验证。在测试中，改变心率信号的电压峰值和频率，统计不同条件下检定仪系统输出心率信号的相对误差[5]。将电压峰值分别设定为0.5、1、3、-0.5、-1 和-3 mV，进行6组测试。为了消除误差，每组测试重复进行3次，取3次测试数据的平均值作为最终结果，统计结果见表1。

由表1数据可知，6组测试中输出信号的最大误差为0.03%（取绝对值），该值远远低于国家计量规程中设定的3%的计量精度要求，说明检定仪心率信号输出幅度精度较高。同样地，将频率分别设定为0.1、1、10和100 Hz，进行6组测试，每组重复3次取平均值，4种频率下检定仪心率信号的精度见表2。

由表2数据可知，4种频率下心率信号的最大误差为0.03%，低于国家计量规程中设定的1%的计量精度要求。并且在频率为1 Hz以内（即心率值为60次/min）时，检定仪系统输出的心率信号为0误差，说明心率信号输出精度较高，能够满足日常的检定需要。

3" 结束语

心电图机、心电监护仪等设备将检测到的心电信号以波形的形式输出，以便于医护人员判定患者的生命体征和健康状况，因此保证心电图机输出信号的准确性至关重要。本文基于RPI微处理器设计的心电图机计量检定仪，可以通过D/A转换器自动将获取的数字信号转变成模拟信号，并对模拟信号进行衰减、叠加等处理，保证最终检定结果的精确性。同时，该检定设备还具有尺寸小巧、功耗较低、方便携带等特点，支持不同场景下对心电图机、脑电图机、心电监护仪等常用设备的检定。从测试情况来看，该检定仪在不同电压峰值和频率下输出心率信号的精度均在国家计量规程允许误差之内，可以满足检定要求。

参考文献：

[1] 徐静.基于并联方式的动态（可移动）心电图机计量检定方案[J].中国计量，2023（4）：111-112.

[2] 陈成新，索彦彦，徐涛，等.数字心电图机计量检定心率显示问题的探究[J].计量与测试技术，2024（6）：87-88.

[3] 张岳.SE-1200Express心电图机的工作原理及故障分析处理[J].城市周刊，2022（17）：67-69.

[4] 薛程昱，左华振，李小玲.数字心电图机计量检定心率不显示问题研究[J].中国质量监管，2023（12）：98-99.

[5] 徐静，杨帆，马雯.数字心电图机心率检定中存在的问题与解决方案[J].计量与测试技术，2023（4）：91-92.

作者简介：张荣毅（1993-），男，助理工程师。研究方向为计量检定。