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IEC（國際電工委員會(huì )）提供了第一個(gè)關(guān)于醫療設備音頻和視頻報警的重點(diǎn)標準，即IEC60601-1-8。通過(guò)將重點(diǎn)聚焦于資料的音頻警告部分，IEC60601-1-8標準要求，必須使特定的旋律對應于特定的生理機能。這樣就能保證報警的數量是有限的，而不會(huì )在不同的制造商之間隨意變化。它也將報警的數量限制在8個(gè)，并使用了每一個(gè)的告誡和緊急形式。緊急（高級優(yōu)先權）形式使用重復的五音符旋律。告誡（中等優(yōu)先權）報警使用高級優(yōu)先權形式的前三個(gè)音符，但不重復。將察覺(jué)的緊急程度設計到聲音中的某些原理已經(jīng)被應用到這些信號中；例如，中等優(yōu)先權音調比高級優(yōu)先權音調更緩慢的上升和下降時(shí)間，以及用于高級優(yōu)先權報警的比較快的節拍。標準中也提供了一種任選的低級優(yōu)先權報警音調；該聲音只有兩個(gè)音符。 IEC60601-1-8音頻報警標準提供了富有和聲的音調，以便使它們容易定位、并能防止屏蔽的干擾。范疇與對應旋律的數量都有限，從而能獲得容易掌握的不同報警順序。另外，報警的優(yōu)先權決定了報警中音符的數量，以及音符順序的動(dòng)態(tài)特征。這使得人們容易確定報警的緊急程度。這樣，IEC60601-1-8標準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 當前許多的IEC60601-1-8實(shí)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(diǎn)是，它需要占用大量的存儲器空間來(lái)儲存文件，以及程序空間來(lái)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，而且允許有相當大的靈活性，能夠在滿(mǎn)足IEC60601-1-8技術(shù)規格的同時(shí)對音符進(jìn)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，需要在固件中實(shí)施下列功能： · 定時(shí)信號發(fā)生器－這提供定時(shí)基準，以便以數字形式構建報警音調，從而有效地設定內部樣品速率和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(shí)間基準。 · 包絡(luò )發(fā)生器－這控制音符脈沖的上升時(shí)間、下降時(shí)間和振幅。音符的上升和下降時(shí)間也是報警優(yōu)先權的函數。 · 音符定序器－基于報警的類(lèi)型和優(yōu)先權等級，以正確的節拍按順序通過(guò)正確的音符。 · 音符發(fā)生器－這生成組合起來(lái)形成基本音符與諧波的多重正弦波音調；由這些基本音符和諧波構成警告音符。 · 關(guān)于演示模式，通過(guò)UART1和終端程序提供一個(gè)菜單驅動(dòng)的用戶(hù)接口。這包括不同的菜單、一個(gè)串行端口驅動(dòng)程序、和一個(gè)簡(jiǎn)單的命令處理程序。 定時(shí)信號發(fā)生器 它利用芯片上的定時(shí)器來(lái)設定用于算法音調發(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(shí)器被設置為每隔40μs生成一個(gè)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(shí)器也提供1 ms的超時(shí)。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的動(dòng)態(tài)音量。由于IEC技術(shù)規格包括音調的上升和下降時(shí)間，所以生成一個(gè)基于時(shí)間的變量。當音符打開(kāi)時(shí)，包絡(luò )變量的值以受控的速率從0增大到最大設定水平。當音符關(guān)閉時(shí)，這也會(huì )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(shí)間是可以編程的；而且，與高級優(yōu)先權音調相比，中等和低級優(yōu)先權音調具有較慢的上升/下降時(shí)間。包絡(luò )發(fā)生器使用1 ms超時(shí)作為其定時(shí)基準。 音符定序器 作為報警之分類(lèi)和優(yōu)先權的函數，IEC 60601-1-8標準規定了相對音符順序和音調的瞬時(shí)特征。音符定序器輸出具有正確持續時(shí)間和間隔的音調，以滿(mǎn)足給定優(yōu)先權的報警的瞬時(shí)特征。對于高級優(yōu)先權報警，其順序被規定為一種5音符順序；它重復一次，所以總共有10個(gè)音符。中等優(yōu)先權報警是一種3音符順序，但不重復。關(guān)于給定報警類(lèi)型的三音符順序與同類(lèi)高級優(yōu)先權順序的前三個(gè)音符相同，以便更加容易地掌握報警。高級優(yōu)先權報警的節拍快于中等優(yōu)先權報警。不同數量的音符和節拍差異能夠容易地區分報警的優(yōu)先權。 音符發(fā)生器 為了容易地符合標準，基本音符和4個(gè)諧波將作為單獨的正弦波而生成，然后由數字方式組合起來(lái)。在芯片上生成正弦波的方法有很多種：包括正弦表查找、數學(xué)庫算法、泰勒級數展開(kāi)和遞歸振蕩器。遞歸振蕩器是一種具有合適系數的IIR濾波器結構，一旦正確地初始化，就能實(shí)現振蕩。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(gè)音符所需要的基本音符和4個(gè)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(jiǎn)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探測器。通過(guò)分析作為振蕩器的算法，隨著(zhù)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。假設能夠從正弦級數中的兩個(gè)以前的增量值來(lái)計算角度的正弦值，那么針對圖1，就能寫(xiě)出公式（1）： 在公式（1）中，x和y是IIR濾波器的系數，“a”是起始角，而“b”是增量角。為了找出兩個(gè)系數的值，重新整理并簡(jiǎn)化公式1，如公式2所示。 通過(guò)代入下列三角恒等式，繼續擴展公式2： 我們得出： 重新整理： 為了確保此式對于所有n都成立，必須讓括號中的兩個(gè)表達式滿(mǎn)足： 當求解時(shí)，這就能得出用于遞歸IIR濾波器的系數： 將它代回到原始公式中，得出： 重新整理： 代入樣品值Y［n］＝sin（a＋nb），得出： 由于系數之一等于-1，所以在每個(gè)步距角增量處的計算就只需要涉及兩個(gè)以前計算結果的一個(gè)乘法和一個(gè)減法（假設系數已事先計算出來(lái)）。在運行了上面的公式后，y［-1］值被移入到y［-2］變量中，并且將計算出的y［n］值移入到y［-1］變量中，以準備在下一個(gè)步距角處的計算。這促進(jìn)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(jìn)行初始化。如果我們設y［-1］＝0，那么y［-2］應該具有在零交叉之前的一個(gè)增量正弦值的值，或者： 系數也必須在下面的公式12中計算。 為了將Goertzel算法作為音調探測器使用，y［-1］和y［-2］二者都應該被初始化到“0”。然后，輸入應該加入到計算中。在特定數量的樣品之后，輸入在探測頻率處的振幅就能夠從下列公式來(lái)計算： 存在關(guān)于此式的優(yōu)化形式，以簡(jiǎn)化數學(xué)運算，但這里只是為了解釋原理。為了將它用作連續的音調探測器，在執行了此計算之后，y［-1］和y［-2］應該再次設定為零，然后進(jìn)行下一個(gè)采集和探測順序。 代碼實(shí)施－音頻報警合成 定時(shí)信號發(fā)生器代碼 定時(shí)信號發(fā)生器代碼包括定時(shí)器0的初始化，以及用于處理定時(shí)器0中斷的中斷服務(wù)程序。這提供用于生成報警音調的40μs（25kHz）定時(shí)，以及軟件計數器生成的1ms定時(shí)。后者被包絡(luò )發(fā)生器和音符定序器所用。 定時(shí)器0初始化 定時(shí)器0需要進(jìn)行初始化，以每隔40μs生成一個(gè)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(shí)器0中斷服務(wù)程序 定時(shí)器0中斷服務(wù)程序是本應用程序的心臟，因為它為音調生成以及音調定序提供所有計時(shí)。本代碼進(jìn)行試驗，以查看包絡(luò )是否啟用，如果是，它將輸出音調。除了清除中斷以外，軟件計數器被遞增，直到達到1ms的超時(shí)。在每一次1ms超時(shí)發(fā)生時(shí)，定序器的狀態(tài)就被遞增，而且任何需要的動(dòng)作將由包絡(luò )發(fā)生器執行（將在以后討論）。下面顯示了關(guān)于定時(shí)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)生器控制音調的動(dòng)態(tài)水平，因為IEC60601-1-8要求上升時(shí)間和下降時(shí)間應該處在規定的范圍內。還有，報警順序中的第一個(gè)音符的振幅應該低于其它音符。包絡(luò )發(fā)生器輸出是變量“包絡(luò )”。當音調關(guān)閉時(shí)，包絡(luò )=0。當在順序中打開(kāi)一個(gè)音符時(shí)，包絡(luò )變量將每毫秒以設定的速率增大，直到它達到設定的最大水平。當音符關(guān)閉時(shí)，音調繼續，但包絡(luò )變量開(kāi)始以其設定的速率減小，直到它達到“0”。包絡(luò )變量將被用作音符的動(dòng)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中規定的不同報警旋律提供計時(shí)和音符定序。高級優(yōu)先權報警包括重復的5音符順序。相同報警范疇的中等優(yōu)先權形式使用其高級優(yōu)先權報警的前三個(gè)音符，但不重復。高級優(yōu)先權報警的音符間隔和持續時(shí)間比較短，因為這能給出緊急程度的較高感覺(jué)。以高級優(yōu)先權為例，下面顯示了實(shí)施這些功能的代碼。在定時(shí)器0中斷服務(wù)程序中討論的1ms時(shí)基增大順序計數器。作為其結果，與每個(gè)情況語(yǔ)句相關(guān)聯(lián)的數字均以毫秒為單位，以方便計時(shí)期間的調整。中等和低級優(yōu)先權形式使用相同的基本開(kāi)關(guān)語(yǔ)句格式和類(lèi)似的函數調用，但是，由于節拍不同，在相關(guān)的情況語(yǔ)句中使用了不同的計時(shí)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據，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(gè)頻率相關(guān)的數據變量和常數組織在具有相同尺寸的矩陣中，那么就能恰好使用簡(jiǎn)單遞歸函數來(lái)“走”過(guò)這些矩陣數據。 音符發(fā)生器定義 定義若干個(gè)定點(diǎn)和浮點(diǎn)常數，以及定義結構標簽和兩個(gè)矩陣。它們當中之一是結構的一個(gè)矩陣。 算法中使用的變量和系數之結構的優(yōu)點(diǎn)是：它允許我們在結構矩陣和頻率常數矩陣中具有類(lèi)似的矩陣組織。常數頻率矩陣和算法結構矩陣之間的一一對應關(guān)系使得在初始化每個(gè)頻率時(shí)，容易使用兩個(gè)矩陣的類(lèi)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，除了系數以外，y［-1］和y［-2］值也必須初始化。必須針對對應于每個(gè)頻率的結構變量而完成此工作。下面顯示了用于初始化的代碼。一排5個(gè)結構中的每一個(gè)被初始化，然后每一個(gè)另外的排被初始化，直到整個(gè)結構矩陣都被初始化。在這個(gè)演示應用程序中，這些計算是在復位初始化期間完成的。不過(guò)，如果你正在最優(yōu)化它，可以通過(guò)事先進(jìn)行這些計算而將代碼保存起來(lái)，并且將結果作為常數儲存在快速存儲器中。這是因為，如果數學(xué)程序庫需要浮點(diǎn)和正弦/余弦算法，那么預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用程序中使用的代碼空間。系數和初始化值是通過(guò)32768（帶符號的短值）定標的。還有，系數計算不包括公式（18）中顯示的2X系數。其目的是使系數的規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，輸出的定標是通過(guò)＞＞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都已經(jīng)被初始化，那么，讓Goertzel計算來(lái)生成基本音符和4個(gè)諧波就變得很容易。方法是簡(jiǎn)單地遞增通過(guò)結構矩陣中的一排，并且求五個(gè)值的和。正如上文所述，第204行包括通過(guò)＞＞14、而不是＞＞15定標到2X中的系數，而這些系數在初始化時(shí)不予考慮。 一旦函數已經(jīng)完成了矩陣排中所有5個(gè)結構的計算，相加的值就被定標、格式化、并從帶符號的值轉化為不帶符號的值，然后被送到DAC。由于這些計算是在每個(gè)25kHz定時(shí)器中斷處執行的（當音符活躍時(shí)），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(guò)度取樣。 用戶(hù)/命令接口 對于為本應用程序編寫(xiě)的演示固件，Keil MCB1700被確定為目標板，而UART1則被用來(lái)提供菜單驅動(dòng)的終端接口，以激活不同的報警。為了保持應用規格書(shū)的簡(jiǎn)明性，本文沒(méi)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(lái)啟動(dòng)報警順序的演示。 啟動(dòng)報警順序需要的全部工作是使用“報警”變量設定報警類(lèi)型，然后通過(guò)將“順序”變量設定到一個(gè)非零值而啟用定序器。 IEC60601-1-8音頻報警演示操作 復位菜單 MCB1700加載完IEC音頻報警固件后，當MCB1700上的COM1接口連接到運行HyperTerminal、TeraTerm或類(lèi)似終端程序的PC上時(shí)，復位以后，用戶(hù)就會(huì )看到具有下列菜單的提示：串口設置為9600比特率、一個(gè)開(kāi)始位、一個(gè)停止位、無(wú)奇偶校驗、無(wú)流量控制。 圖2 復位菜單 圖3 高級優(yōu)先權報警菜單 按下1到8之間的任意一個(gè)數字，然后按下回車(chē)，將開(kāi)始對應報警類(lèi)型的高級優(yōu)先權報警順序。類(lèi)似的菜單動(dòng)作將針對中等優(yōu)先權、低級優(yōu)先權和試驗菜單而獲得，參見(jiàn)圖4、圖5、和圖6中所示。 圖4 中等優(yōu)先權菜單 圖5 低級優(yōu)先權菜單 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的短1秒脈沖，以及本應用程序所需要的最高和最低單一頻率音調。這是為了方便進(jìn)行性能試驗。單一音調的生成是通過(guò)讓‘ToneWeights’矩陣中的所有值都等于0，但正在生成的隔離音調除外。命令5將所有ToneWeights矩陣值都復位到它們的初始值。 外部硬件要求 外部DAC濾波器 對于在應用規格書(shū)中做的試驗，增加了一個(gè)簡(jiǎn)單的三極RC濾波器，以便從信號中過(guò)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(lèi)聽(tīng)覺(jué)范圍，所以沒(méi)有濾波器，成本敏感的應用程序就可以通過(guò)。另外，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò )之后通常需要一個(gè)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(gè)信號是外部固定的，那么建議使用緩沖器。 性能分析 通過(guò)使用上一段描述的輸出濾波器，執行了波譜分析試驗，以驗證信號的頻譜含量，并估計信噪比。此外，還進(jìn)行了示波器捕捉，以顯示生成的警報音調的升降和其它瞬時(shí)特征。MCB1700 DAC的輸出被饋送到Mackie CR1604-VLZ音頻混合器（用于平頻率響應的EQ集），以便給筆記本電腦內部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(guò)的試驗菜單被用來(lái)提供分析中使用的試驗音調脈沖。 利用DAC濾波器的多重音調生成的波譜分析 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(jìn)行下列波譜分析儀捕捉。 具有諧波的應用程序（C4）中最低頻率音調的波譜如圖8所示。這些諧波在振幅方面互相非常接近。這將容易地滿(mǎn)足IEC 60601-1-8技術(shù)規格，因為它們只要求諧波處在互相之間15 dB的范圍內。信噪比看起來(lái)超過(guò)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用程序（C5）中最高頻率音調的波譜分析。由圖可知，具有諧波的C5音調的波譜也具有良好的信噪比和低扭曲，而且能夠將基本音符和諧波的振幅保持在幾個(gè)分貝的范圍內。 圖9 具有諧波的C5 結論 本應用中呈現的醫療報警的方法為符合IEC60601-1-8標準的音頻醫療警報提供了一種有效、低成本、高性能的方法。技術(shù)規格也說(shuō)明，在報警聲音方面設備差異的細微程度對于操作人員是有利的。除了能滿(mǎn)足標準的要求以外，此處提供的固件實(shí)施允許容易地自定義音調，同時(shí)仍然能夠保持在技術(shù)規格參數范圍以?xún)��；?a href="http://selenalain.com/keyword/ARM" target="_blank" class="relatedlink">ARM Cortex-M3內核的NXP LPC17xx系列微控制器能提供非常高速度的性能和準確的定時(shí)，這特別適合于實(shí)施類(lèi)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標準的支持增加到任何醫療電子應用中。 |
