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ECG十二导联信号生成系统 - 工作交接文档

项目概述

本项目是一个基于ESP32-S3的ECG（心电图）十二导联信号生成系统，能够同时生成并输出I、II、III导联以及V1-V6胸导联的ECG信号，通过DAC芯片输出到8个独立通道。

主要功能

• 十二导联ECG信号生成：I、II、III、V1-V6导联
• 多通道DAC输出：8个独立通道同时输出
• 高精度波形生成：20kHz采样率，支持10,000点查找表
• 内存优化：PSRAM存储，防止DRAM溢出
• 实时信号处理：50μs定时器中断

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系统架构

硬件平台

• 主控芯片：ESP32-S3
• DAC芯片：AD5328BRUZ（8通道12位DAC）
• 通信接口：SPI2（DAC控制）、I2C0（触摸屏）
• 显示：ST7789 LCD + FT5x06触摸屏

软件架构

main/
├── main.c                    # 主程序入口
├── esp32_s3_szp.c          # 硬件驱动（SPI、I2C、LCD）
├── esp32_s3_szp.h          # 硬件定义
└── app_ui.c                # UI界面

components/signal_generators/
├── include/
│   ├── ecg_generator.h     # ECG生成器接口
│   └── sine_generator.h    # 正弦波生成器接口
└── src/
    ├── ecg_generator.c     # ECG生成器实现
    └── sine_generator.c   # 正弦波生成器实现

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核心代码功能详解

1. ECG信号生成器 (ecg_generator.c)

1.1 导联类型定义

typedef enum {
    ECG_LEAD_I = 0,    // I导联：右手到左手
    ECG_LEAD_II = 1,   // II导联：右手到左腿
    ECG_LEAD_III = 2,  // III导联：左手到左腿
    ECG_LEAD_V1 = 3,   // V1导联：胸骨右缘第四肋间
    ECG_LEAD_V2 = 4,   // V2导联
    ECG_LEAD_V3 = 5,   // V3导联：过渡区
    ECG_LEAD_V4 = 6,   // V4导联：高R波
    ECG_LEAD_V5 = 7,   // V5导联
    ECG_LEAD_V6 = 8    // V6导联
} ecg_lead_t;

1.2 ECG生成器结构体

typedef struct {
    // 用户参数
    float heart_rate;      // 心率 (次/分)
    float amplitude;       // 幅值 (V)
    ecg_lead_t lead;       // 当前导联
    
    // 内部状态
    uint32_t sample_count; // 样本计数器
    float sample_rate;     // 采样率 (Hz)
    bool is_running;       // 运行状态
    
    // 导联特定参数
    float p_amp_ratio;    // P波幅度比例
    float q_amp_ratio;    // Q波幅度比例  
    float r_amp_ratio;    // R波幅度比例
    float s_amp_ratio;    // S波幅度比例
    float t_amp_ratio;    // T波幅度比例
    bool p_bidirectional; // P波是否双向（V1导联特有）
    
    // 查找表相关
    float* ecg_lookup_table;  // ECG查找表
    uint32_t table_size;      // 查找表大小
    uint32_t table_index;     // 当前索引
    
    // 按比例重复采样（防止相位失真）
    uint32_t ideal_table_size; // 理想表大小
    uint32_t samples_per_point; // 每个表点对应的样本数
    uint32_t sample_counter;   // 当前表点的样本计数器
} ecg_generator_t;

1.3 关键算法：按比例重复采样

问题：当理想表大小超过10,000点时，需要限制表大小防止内存溢出，但会导致相位失真。

解决方案：按比例重复采样

// 计算理想表大小和实际表大小
generator->ideal_table_size = (uint32_t)(generator->sample_rate / generator->frequency);
const uint32_t MAX_TABLE_SIZE = 10000;
generator->table_size = generator->ideal_table_size;
if (generator->table_size > MAX_TABLE_SIZE) {
    generator->table_size = MAX_TABLE_SIZE;
}

// 计算每个表点需要重复的样本数
generator->samples_per_point = generator->ideal_table_size / generator->table_size;

// 在get_next_sample中实现重复采样
if (generator->sample_counter >= generator->samples_per_point) {
    generator->sample_counter = 0;
    generator->table_index = (generator->table_index + 1) % generator->table_size;
}

1.4 导联特定参数设置

每个导联都有独特的波形特征：

void ecg_generator_set_lead_parameters(ecg_generator_t *generator, ecg_lead_t lead) {
    switch (lead) {
        case ECG_LEAD_I:
            generator->p_amp_ratio = 0.12;    // P波较小
            generator->q_amp_ratio = 0.25;
            generator->r_amp_ratio = 0.7;     // R波中等
            generator->s_amp_ratio = 0.3;
            generator->t_amp_ratio = 0.3;
            generator->p_bidirectional = false;
            break;
            
        case ECG_LEAD_V1:
            generator->p_amp_ratio = 0.08;    // P波双向
            generator->q_amp_ratio = 0.0;     // 无Q波
            generator->r_amp_ratio = 0.25;    // 小r波
            generator->s_amp_ratio = 1.0;     // 深S波
            generator->t_amp_ratio = -0.15;   // T波倒置
            generator->p_bidirectional = true; // 双向P波
            break;
            
        // ... 其他导联
    }
}

1.5 双向P波实现（V1导联特有）

// 在波形计算中
if (generator->p_bidirectional) {
    // 双向P波：先正后负
    float p_positive = p_amp * expf(-(t_norm - p_time_ratio) * (t_norm - p_time_ratio) / 
                                   (2.0f * p_width_ratio * p_width_ratio));
    float p_negative = -p_amp * 0.6f * expf(-(t_norm - (p_time_ratio + 0.02f)) * 
                                           (t_norm - (p_time_ratio + 0.02f)) / 
                                           (2.0f * p_width_ratio * p_width_ratio));
    p = p_positive + p_negative;
} else {
    // 单向P波
    p = p_amp * expf(-(t_norm - p_time_ratio) * (t_norm - p_time_ratio) / 
                     (2.0f * p_width_ratio * p_width_ratio));
}

2. 十二导联系统封装

2.1 系统初始化函数

int ecg_generator_init_twelve_leads_system(float sample_rate, float amplitude, float heart_rate) {
    // 初始化所有9个导联生成器
    ecg_generator_init(&g_ecg_gen_i, sample_rate, ECG_LEAD_I);
    ecg_param_set(&g_ecg_gen_i, amplitude, heart_rate);
    ecg_generator_generate_lookup_table(&g_ecg_gen_i);
    ecg_generator_start(&g_ecg_gen_i);
    
    // ... 重复其他8个导联
    
    return 0;  // 成功
}

2.2 多通道输出函数

void ecg_generator_output_twelve_leads(void (*set_channel_voltage)(uint8_t channel, float voltage)) {
    float voltage;
    
    // 通道映射：0通道输出I导联，1通道输出II导联，2-7通道输出V1-V6导联
    voltage = ecg_generator_get_next_sample(&g_ecg_gen_i);
    set_channel_voltage(0, voltage);    // 通道0：I导联
    
    voltage = ecg_generator_get_next_sample(&g_ecg_gen_ii);
    set_channel_voltage(1, voltage);    // 通道1：II导联
    
    voltage = ecg_generator_get_next_sample(&g_ecg_gen_v1);
    set_channel_voltage(2, voltage);    // 通道2：V1导联
    
    // ... 其他通道
}

3. 硬件驱动 (esp32_s3_szp.c)

3.1 SPI初始化

// SPI总线配置
spi_bus_config_t bus_config = {
    .miso_io_num = GPIO_NUM_NC,          // 不使用MISO
    .mosi_io_num = PIN_MOSI,    // GPIO12
    .sclk_io_num = PIN_SCK,     // GPIO13
    .quadhd_io_num = GPIO_NUM_NC,
    .quadwp_io_num = GPIO_NUM_NC,
};

// SPI设备配置
spi_device_interface_config_t dev_config = {
    .clock_speed_hz = 1000000,      // 1 MHz
    .mode = 0,                      // SPI模式0
    .spics_io_num = PIN_CS,         // GPIO10
    .queue_size = 1,
    .flags = SPI_DEVICE_HALFDUPLEX, // 半双工
};

3.2 DAC数据发送

void set_channel_voltage(uint8_t channel, float voltage) {
    // 电压转数字值（12位）
    uint16_t dac_value = (uint16_t)((voltage / V_REF) * 4095);

    // 组装SPI数据包（16位）
    uint8_t tx_data[2] = {
        ((channel & 0x07) << 4) | ((dac_value >> 8) & 0x0F), // 高字节
        (dac_value & 0xFF)  // 低字节
    };

    // SPI事务
    spi_transaction_t t = {
        .length = 16,
        .tx_buffer = tx_data,
        .rx_buffer = NULL
    };

    esp_err_t ret = spi_device_transmit(handle, &t);
}

4. 主程序 (main.c)

4.1 系统初始化流程

void app_main(void) {
    int led_count = 0;
    
    // 1. 硬件初始化
    init_hardware();  // I2C、LED、DAC初始化
    
    // 2. ECG系统初始化
    init_ecg_system();  // 初始化十二导联系统
    
    // 3. 主循环
    while (true) {
        // LED状态指示
        gpio_set_level(LED_PIN, 1);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
        gpio_set_level(LED_PIN, 0);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
        
        // 内存监控
        if (++led_count % 10 == 0) {
            displayMemoryUsage();
        }
    }
}

4.2 定时器中断处理

static void signal_timer_callback(void* arg) {
    // ECG十二导联模式：使用十二导联输出函数
    ecg_generator_output_twelve_leads(set_channel_voltage);
    
    signal_sample_count++;
}

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系统运行机制

1. 启动流程

1. 硬件初始化：I2C、SPI、GPIO配置
2. DAC初始化：SPI总线、设备、控制引脚
3. ECG系统初始化：9个导联生成器、查找表生成
4. 定时器启动：50μs周期（20kHz）
5. 主循环：LED指示、内存监控

2. 实时信号生成

1. 定时器中断：每50μs触发一次
2. 信号生成：各导联生成器产生下一个样本
3. DAC输出：8个通道同时更新电压
4. 相位同步：所有导联保持同步

3. 内存管理

• 查找表存储：PSRAM（heap_caps_malloc with MALLOC_CAP_SPIRAM）
• 表大小限制：最大10,000点防止DRAM溢出
• 按比例采样：保持波形形状和相位连续性

4. 通道映射

DAC通道 → ECG导联
通道0   → I导联
通道1   → II导联  
通道2   → V1导联
通道3   → V2导联
通道4   → V3导联
通道5   → V4导联
通道6   → V5导联
通道7   → V6导联

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技术参数

性能指标

• 采样率：20kHz
• 心率范围：30-200 BPM
• 电压范围：0-2.048V（12位分辨率）
• 查找表大小：最大10,000点
• 内存使用：PSRAM存储，避免DRAM溢出

硬件接口

• SPI2：DAC控制（MOSI:GPIO12, SCK:GPIO13, CS:GPIO10）
• GPIO控制：LDAC(GPIO11), DAC_EN(GPIO17)
• I2C0：触摸屏通信（SDA:GPIO1, SCL:GPIO2）

波形特征

• I导联：R波中等，P波较小
• II导联：R波最大，P波明显
• III导联：波形介于I和II之间
• V1导联：双向P波，深S波，T波倒置
• V2-V6导联：过渡区到高R波区域

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维护和调试

1. 常见问题排查

• 内存不足：检查PSRAM配置，调整查找表大小
• SPI通信失败：检查引脚配置和时钟频率
• 波形失真：验证按比例采样算法
• 相位不同步：检查定时器配置

2. 性能优化

• 内存优化：使用PSRAM存储大查找表
• 实时性：50μs定时器确保20kHz输出
• 精度优化：12位DAC提供高精度输出

3. 扩展功能

• 参数调节：心率、幅度、导联类型
• 波形存储：支持不同ECG模式
• 多设备支持：可扩展更多DAC通道

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开发环境

编译环境

• ESP-IDF：v5.0+
• 编译器：GCC for RISC-V
• 调试工具：ESP-IDF Monitor

依赖组件

• esp_lcd_port：LCD显示
• lvgl：图形界面
• esp_lcd_touch_ft5x06：触摸屏

构建命令

idf.py build
idf.py flash monitor
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**交接完成日期**：2025年10月9日
**系统版本**：v1.0