介紹

IEC（國際電工委員會）提供了第一個關(guān)于醫(yī)療設(shè)備音頻和視頻報警的重點標(biāo)準(zhǔn)，即IEC60601-1-8。通過將重點聚焦于資料的音頻警告部分，IEC60601-1-8標(biāo)準(zhǔn)要求，必須使特定的旋律對應(yīng)于特定的生理機能。這樣就能保證報警的數(shù)量是有限的，而不會在不同的制造商之間隨意變化。它也將報警的數(shù)量限制在8個，并使用了每一個的告誡和緊急形式。緊急（高級優(yōu)先權(quán)）形式使用重復(fù)的五音符旋律。告誡（中等優(yōu)先權(quán)）報警使用高級優(yōu)先權(quán)形式的前三個音符，但不重復(fù)。將察覺的緊急程度設(shè)計到聲音中的某些原理已經(jīng)被應(yīng)用到這些信號中；例如，中等優(yōu)先權(quán)音調(diào)比高級優(yōu)先權(quán)音調(diào)更緩慢的上升和下降時間，以及用于高級優(yōu)先權(quán)報警的比較快的節(jié)拍。標(biāo)準(zhǔn)中也提供了一種任選的低級優(yōu)先權(quán)報警音調(diào)；該聲音只有兩個音符。

IEC60601-1-8音頻報警標(biāo)準(zhǔn)提供了富有和聲的音調(diào)，以便使它們?nèi)菀锥ㄎ?、并能防止屏蔽的干擾。范疇與對應(yīng)旋律的數(shù)量都有限，從而能獲得容易掌握的不同報警順序。另外，報警的優(yōu)先權(quán)決定了報警中音符的數(shù)量，以及音符順序的動態(tài)特征。這使得人們?nèi)菀状_定報警的緊急程度。這樣，IEC60601-1-8標(biāo)準(zhǔn)解決了許多以前報警的限制因素，而且將有助于改善患者的安全性。

以算法形式生成IEC60601-1-8報警

當(dāng)前許多的IEC60601-1-8實施方案都是回放儲存在存儲器中的錄音形式的報警。其缺點是，它需要占用大量的存儲器空間來儲存文件，以及程序空間來控制回放。與之相比，以算法形式生成報警在存儲器利用方面是一種非常有效的方法，而且允許有相當(dāng)大的靈活性，能夠在滿足IEC60601-1-8技術(shù)規(guī)格的同時對音符進行自定義。

芯片上要求的功能資源

為了在芯片上合成報警音調(diào)，需要在固件中實施下列功能：

• 定時信號發(fā)生器－這提供定時基準(zhǔn)，以便以數(shù)字形式構(gòu)建報警音調(diào)，從而有效地設(shè)定內(nèi)部樣品速率和DAC輸出速率。這還提供用于音符定序器和包絡(luò)發(fā)生器的時間基準(zhǔn)。

• 包絡(luò)發(fā)生器－這控制音符脈沖的上升時間、下降時間和振幅。音符的上升和下降時間也是報警優(yōu)先權(quán)的函數(shù)。

• 音符定序器－基于報警的類型和優(yōu)先權(quán)等級，以正確的節(jié)拍按順序通過正確的音符。

• 音符發(fā)生器－這生成組合起來形成基本音符與諧波的多重正弦波音調(diào)；由這些基本音符和諧波構(gòu)成警告音符。

• 關(guān)于演示模式，通過UART1和終端程序提供一個菜單驅(qū)動的用戶接口。這包括不同的菜單、一個串行端口驅(qū)動程序、和一個簡單的命令處理程序。

定時信號發(fā)生器

它利用芯片上的定時器來設(shè)定用于算法音調(diào)發(fā)生器的采樣速率/DAC輸出速率。針對25 ksps的DAC輸出速率，定時器被設(shè)置為每隔40μs生成一個中斷。這被選擇為處于音頻范圍上方，而且遠高于Nyquist（尼奎斯特）頻率，以允許在DAC上采用低成本的濾波器。中斷服務(wù)程序中的軟件計時器也提供1 ms的超時。如下文所述，它被用于包絡(luò)控制功能和音符定序器。

包絡(luò)發(fā)生器

包絡(luò)發(fā)生器控制正在生成的音調(diào)的動態(tài)音量。由于IEC技術(shù)規(guī)格包括音調(diào)的上升和下降時間，所以生成一個基于時間的變量。當(dāng)音符打開時，包絡(luò)變量的值以受控的速率從0增大到最大設(shè)定水平。當(dāng)音符關(guān)閉時，這也會同樣發(fā)生；音量將以受控的速率減小，直到它達到0為止。上升和下降時間是可以編程的；而且，與高級優(yōu)先權(quán)音調(diào)相比，中等和低級優(yōu)先權(quán)音調(diào)具有較慢的上升/下降時間。包絡(luò)發(fā)生器使用1 ms超時作為其定時基準(zhǔn)。

音符定序器

作為報警之分類和優(yōu)先權(quán)的函數(shù)，IEC 60601-1-8標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相對音符順序和音調(diào)的瞬時特征。音符定序器輸出具有正確持續(xù)時間和間隔的音調(diào)，以滿足給定優(yōu)先權(quán)的報警的瞬時特征。對于高級優(yōu)先權(quán)報警，其順序被規(guī)定為一種5音符順序；它重復(fù)一次，所以總共有10個音符。中等優(yōu)先權(quán)報警是一種3音符順序，但不重復(fù)。關(guān)于給定報警類型的三音符順序與同類高級優(yōu)先權(quán)順序的前三個音符相同，以便更加容易地掌握報警。高級優(yōu)先權(quán)報警的節(jié)拍快于中等優(yōu)先權(quán)報警。不同數(shù)量的音符和節(jié)拍差異能夠容易地區(qū)分報警的優(yōu)先權(quán)。

音符發(fā)生器

為了容易地符合標(biāo)準(zhǔn)，基本音符和4個諧波將作為單獨的正弦波而生成，然后由數(shù)字方式組合起來。在芯片上生成正弦波的方法有很多種：包括正弦表查找、數(shù)學(xué)庫算法、泰勒級數(shù)展開和遞歸振蕩器。遞歸振蕩器是一種具有合適系數(shù)的IIR濾波器結(jié)構(gòu)，一旦正確地初始化，就能實現(xiàn)振蕩。由于這是比較有效的方法之一，而且具有非常低的失真，因此遞歸振蕩器將被用于生成每個音符所需要的基本音符和4個諧波。


圖1 雙抽頭IIR濾波器

Goertzel算法

最有用的遞歸方法之一是Goertzel算法；圖1顯示了一種簡單的雙抽頭IIR濾波器。這是非常有用的算法，除了作為正弦波發(fā)生器以外，它還能被用作窄帶音調(diào)探測器。通過分析作為振蕩器的算法，隨著以固定的跨度增大角度，我們想要能夠計算該角度的正弦值。假設(shè)能夠從正弦級數(shù)中的兩個以前的增量值來計算角度的正弦值，那么針對圖1，就能寫出公式（1）：

 （1）

在公式（1）中，x和y是IIR濾波器的系數(shù)，“a”是起始角，而“b”是增量角。為了找出兩個系數(shù)的值，重新整理并簡化公式1，如公式2所示。

（2）

通過代入下列三角恒等式，繼續(xù)擴展公式2：

 （3）

我們得出：



重新整理：

（5）

為了確保此式對于所有n都成立，必須讓括號中的兩個表達式滿足：

    （6）

當(dāng)求解時，這就能得出用于遞歸IIR濾波器的系數(shù)：


 （7）

將它代回到原始公式中，得出：

（8）

重新整理：

（9）

代入樣品值Y［n］＝sin（a＋nb），得出：

     （10）

由于系數(shù)之一等于-1，所以在每個步距角增量處的計算就只需要涉及兩個以前計算結(jié)果的一個乘法和一個減法（假設(shè)系數(shù)已事先計算出來）。在運行了上面的公式后，y［-1］值被移入到y(tǒng)［-2］變量中，并且將計算出的y［n］值移入到y(tǒng)［-1］變量中，以準(zhǔn)備在下一個步距角處的計算。這促進了Cortex-M3非常有效的運行。

Goertzel初始化

為了讓Goertzel能夠作為振蕩器發(fā)揮作用，y［-1］和y［-2］值必須要進行初始化。如果我們設(shè)y［-1］＝0，那么y［-2］應(yīng)該具有在零交叉之前的一個增量正弦值的值，或者：



  （11）

系數(shù)也必須在下面的公式12中計算。



為了將Goertzel算法作為音調(diào)探測器使用，y［-1］和y［-2］二者都應(yīng)該被初始化到“0”。然后，輸入應(yīng)該加入到計算中。在特定數(shù)量的樣品之后，輸入在探測頻率處的振幅就能夠從下列公式來計算：





存在關(guān)于此式的優(yōu)化形式，以簡化數(shù)學(xué)運算，但這里只是為了解釋原理。為了將它用作連續(xù)的音調(diào)探測器，在執(zhí)行了此計算之后，y［-1］和y［-2］應(yīng)該再次設(shè)定為零，然后進行下一個采集和探測順序。

代碼實施－音頻報警合成

定時信號發(fā)生器代碼

定時信號發(fā)生器代碼包括定時器0的初始化，以及用于處理定時器0中斷的中斷服務(wù)程序。這提供用于生成報警音調(diào)的40μs（25kHz）定時，以及軟件計數(shù)器生成的1ms定時。后者被包絡(luò)發(fā)生器和音符定序器所用。

定時器0初始化

定時器0需要進行初始化，以每隔40μs生成一個匹配中斷，從而提供25kHz的采樣速率。下面給出了初始化代碼。



定時器0中斷服務(wù)程序

定時器0中斷服務(wù)程序是本應(yīng)用程序的心臟，因為它為音調(diào)生成以及音調(diào)定序提供所有計時。本代碼進行試驗，以查看包絡(luò)是否啟用，如果是，它將輸出音調(diào)。除了清除中斷以外，軟件計數(shù)器被遞增，直到達到1ms的超時。在每一次1ms超時發(fā)生時，定序器的狀態(tài)就被遞增，而且任何需要的動作將由包絡(luò)發(fā)生器執(zhí)行（將在以后討論）。下面顯示了關(guān)于定時器0中斷服務(wù)程序的代碼列表。


包絡(luò)控制功能

包絡(luò)發(fā)生器控制音調(diào)的動態(tài)水平，因為IEC60601-1-8要求上升時間和下降時間應(yīng)該處在規(guī)定的范圍內(nèi)。還有，報警順序中的第一個音符的振幅應(yīng)該低于其它音符。包絡(luò)發(fā)生器輸出是變量“包絡(luò)”。當(dāng)音調(diào)關(guān)閉時，包絡(luò)=0。當(dāng)在順序中打開一個音符時，包絡(luò)變量將每毫秒以設(shè)定的速率增大，直到它達到設(shè)定的最大水平。當(dāng)音符關(guān)閉時，音調(diào)繼續(xù)，但包絡(luò)變量開始以其設(shè)定的速率減小，直到它達到“0”。包絡(luò)變量將被用作音符的動態(tài)特征的音量控制。下面給出了包絡(luò)控制功能的列表：


音符定序器功能

音符定序器為IEC60601-1-8中規(guī)定的不同報警旋律提供計時和音符定序。高級優(yōu)先權(quán)報警包括重復(fù)的5音符順序。相同報警范疇的中等優(yōu)先權(quán)形式使用其高級優(yōu)先權(quán)報警的前三個音符，但不重復(fù)。高級優(yōu)先權(quán)報警的音符間隔和持續(xù)時間比較短，因為這能給出緊急程度的較高感覺。以高級優(yōu)先權(quán)為例，下面顯示了實施這些功能的代碼。在定時器0中斷服務(wù)程序中討論的1ms時基增大順序計數(shù)器。作為其結(jié)果，與每個情況語句相關(guān)聯(lián)的數(shù)字均以毫秒為單位，以方便計時期間的調(diào)整。中等和低級優(yōu)先權(quán)形式使用相同的基本開關(guān)語句格式和類似的函數(shù)調(diào)用，但是，由于節(jié)拍不同，在相關(guān)的情況語句中使用了不同的計時狀態(tài)。




音符發(fā)生器功能

對于音符發(fā)生器，存在許多需要處理的數(shù)據(jù)，它們涉及到多重頻率和多重正弦波發(fā)生器。如果將與每個頻率相關(guān)的數(shù)據(jù)變量和常數(shù)組織在具有相同尺寸的矩陣中，那么就能恰好使用簡單遞歸函數(shù)來“走”過這些矩陣數(shù)據(jù)。



音符發(fā)生器定義

定義若干個定點和浮點常數(shù)，以及定義結(jié)構(gòu)標(biāo)簽和兩個矩陣。它們當(dāng)中之一是結(jié)構(gòu)的一個矩陣。

算法中使用的變量和系數(shù)之結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：它允許我們在結(jié)構(gòu)矩陣和頻率常數(shù)矩陣中具有類似的矩陣組織。常數(shù)頻率矩陣和算法結(jié)構(gòu)矩陣之間的一一對應(yīng)關(guān)系使得在初始化每個頻率時，容易使用兩個矩陣的類似索引。

音符發(fā)生器初始化

上文提到為了使Goertzel算法能振蕩，除了系數(shù)以外，y［-1］和y［-2］值也必須初始化。必須針對對應(yīng)于每個頻率的結(jié)構(gòu)變量而完成此工作。下面顯示了用于初始化的代碼。一排5個結(jié)構(gòu)中的每一個被初始化，然后每一個另外的排被初始化，直到整個結(jié)構(gòu)矩陣都被初始化。在這個演示應(yīng)用程序中，這些計算是在復(fù)位初始化期間完成的。不過，如果你正在最優(yōu)化它，可以通過事先進行這些計算而將代碼保存起來，并且將結(jié)果作為常數(shù)儲存在快速存儲器中。這是因為，如果數(shù)學(xué)程序庫需要浮點和正弦/余弦算法，那么預(yù)先計算好的初始化值則不需要。這些程序庫例行程序使用大約一半本應(yīng)用程序中使用的代碼空間。系數(shù)和初始化值是通過32768（帶符號的短值）定標(biāo)的。還有，系數(shù)計算不包括公式（18）中顯示的2X系數(shù)。其目的是使系數(shù)的規(guī)模保持在帶符號的短值，以最小化儲存要求。2X被包括在最終Goertzel計算中；此處，輸出的定標(biāo)是通過>>14（而不是>>15）乘以2。



多重正弦波發(fā)生、求和及DAC輸出

一旦算法變量和系數(shù)都已經(jīng)被初始化，那么，讓Goertzel計算來生成基本音符和4個諧波就變得很容易。方法是簡單地遞增通過結(jié)構(gòu)矩陣中的一排，并且求五個值的和。正如上文所述，第204行包括通過>>14、而不是>>15定標(biāo)到2X中的系數(shù)，而這些系數(shù)在初始化時不予考慮。



一旦函數(shù)已經(jīng)完成了矩陣排中所有5個結(jié)構(gòu)的計算，相加的值就被定標(biāo)、格式化、并從帶符號的值轉(zhuǎn)化為不帶符號的值，然后被送到DAC。由于這些計算是在每個25kHz定時器中斷處執(zhí)行的（當(dāng)音符活躍時），所以DAC輸出速率就是25 kHz。這允許使用便宜的輸出濾波器，因為相對于正在生成的最高正弦波頻率，這大約是9X的過度取樣。

用戶/命令接口

對于為本應(yīng)用程序編寫的演示固件，Keil MCB1700被確定為目標(biāo)板，而UART1則被用來提供菜單驅(qū)動的終端接口，以激活不同的報警。為了保持應(yīng)用規(guī)格書的簡明性，本文沒有顯示UART代碼。只顯示了命令功能之一的代碼示例，作為如何使用本固件來啟動報警順序的演示。




啟動報警順序需要的全部工作是使用“報警”變量設(shè)定報警類型，然后通過將“順序”變量設(shè)定到一個非零值而啟用定序器。

IEC60601-1-8音頻報警演示操作

復(fù)位菜單

MCB1700加載完IEC音頻報警固件后，當(dāng)MCB1700上的COM1接口連接到運行HyperTerminal、TeraTerm或類似終端程序的PC上時，復(fù)位以后，用戶就會看到具有下列菜單的提示：串口設(shè)置為9600比特率、一個開始位、一個停止位、無奇偶校驗、無流量控制。


圖2 復(fù)位菜單


圖3 高級優(yōu)先權(quán)報警菜單

按下1到8之間的任意一個數(shù)字，然后按下回車，將開始對應(yīng)報警類型的高級優(yōu)先權(quán)報警順序。類似的菜單動作將針對中等優(yōu)先權(quán)、低級優(yōu)先權(quán)和試驗菜單而獲得，參見圖4、圖5、和圖6中所示。


圖4 中等優(yōu)先權(quán)菜單


圖5 低級優(yōu)先權(quán)菜單


圖6 和試驗菜單

試驗菜單中的命令提供了具有諧波的最高和最低頻率音調(diào)的短1秒脈沖，以及本應(yīng)用程序所需要的最高和最低單一頻率音調(diào)。這是為了方便進行性能試驗。單一音調(diào)的生成是通過讓‘ToneWeights’矩陣中的所有值都等于0，但正在生成的隔離音調(diào)除外。命令5將所有ToneWeights矩陣值都復(fù)位到它們的初始值。

外部硬件要求

外部DAC濾波器

對于在應(yīng)用規(guī)格書中做的試驗，增加了一個簡單的三極RC濾波器，以便從信號中過濾掉25kHz采樣速率分量。使用的濾波器如圖7所示，它提供的截取頻率范圍處在9kHz到10kHz。由于樣品速率高于正常人類聽覺范圍，所以沒有濾波器，成本敏感的應(yīng)用程序就可以通過。另外，在這個網(wǎng)絡(luò)之后通常需要一個耦合電容器，因為DAC的直流電平一般為1.65 V。


圖7 三極RC DAC濾波器

如果不打算成為高的阻抗輸入，或者這個信號是外部固定的，那么建議使用緩沖器。

性能分析

通過使用上一段描述的輸出濾波器，執(zhí)行了波譜分析試驗，以驗證信號的頻譜含量，并估計信噪比。此外，還進行了示波器捕捉，以顯示生成的警報音調(diào)的升降和其它瞬時特征。MCB1700 DAC的輸出被饋送到Mackie CR1604-VLZ音頻混合器（用于平頻率響應(yīng)的EQ集），以便給筆記本電腦內(nèi)部Sigmatel Codec提供正確的電平。筆記本電腦正在運行True Audio的TrueRTA波譜分析儀軟件包。前文已詳細描述過的試驗菜單被用來提供分析中使用的試驗音調(diào)脈沖。

利用DAC濾波器的多重音調(diào)生成的波譜分析

利用上文詳細描述的三極10kHz RC濾波器之后獲得的板輸出，進行下列波譜分析儀捕捉。

具有諧波的應(yīng)用程序（C4）中最低頻率音調(diào)的波譜如圖8所示。這些諧波在振幅方面互相非常接近。這將容易地滿足IEC 60601-1-8技術(shù)規(guī)格，因為它們只要求諧波處在互相之間15 dB的范圍內(nèi)。信噪比看起來超過55dB，也能提供非常好的噪聲性能。波譜分析中顯示的缺少其它諧波也證明了由Goertzel算法生成的正弦波的扭曲很低。


圖8 具有諧波的C4

圖9顯示了在具有諧波的應(yīng)用程序（C5）中最高頻率音調(diào)的波譜分析。由圖可知，具有諧波的C5音調(diào)的波譜也具有良好的信噪比和低扭曲，而且能夠?qū)⒒疽舴椭C波的振幅保持在幾個分貝的范圍內(nèi)。


圖9 具有諧波的C5

結(jié)論

本應(yīng)用中呈現(xiàn)的醫(yī)療報警的方法為符合IEC60601-1-8標(biāo)準(zhǔn)的音頻醫(yī)療警報提供了一種有效、低成本、高性能的方法。技術(shù)規(guī)格也說明，在報警聲音方面設(shè)備差異的細微程度對于操作人員是有利的。除了能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求以外，此處提供的固件實施允許容易地自定義音調(diào)，同時仍然能夠保持在技術(shù)規(guī)格參數(shù)范圍以內(nèi)?；贏RM Cortex-M3內(nèi)核的NXP LPC17xx系列微控制器能提供非常高速度的性能和準(zhǔn)確的定時，這特別適合于實施類似于本示例中使用的算法。利用在96 MHz的頻率下運行的LPC1768處理器，本應(yīng)用程序使用大約8 %的可用處理器帶寬和小于10K的代碼空間，這樣就為其它附加的應(yīng)用程序留出了大量的代碼空間和處理能力。因此，非常容易將對IEC60601-1-8標(biāo)準(zhǔn)的支持增加到任何醫(yī)療電子應(yīng)用中。