2024年4月10日发(作者：pixel 2 xl)

基于PWM的医疗器械报警声音播放平台设计

毛元龙

1,2

，侯小飞

1,2

，李正

1,2

，吴庆伟

1,2

，肖小兵

1,2

，鲍胜文

1,2

，牛占云

1,2

室，河南长垣，453400）

电子电路设计与方案

（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

摘要：根据行标YY 0709规定，大部分有源医疗器械都需要具备听觉报警功能，且报警声音信号波形应符合特定时域、频域要求。针对此

问题设计了一种基于PWM的医疗器械报警声音播放平台。本文首先介绍了该设计的背景和标准要求，以及使用WinHex软件和单片机产生

PWM波的过程；然后对平台硬件方面的阻容低通滤波电路和D类功放模块进行设计；最后通过MATLAB和Multisim仿真对该平台的合理性

进行了验证。结果表明，本文设计的平台能够还原音频波形，满足国家标准要求，并且还具有低成本、移植性强的优点。

关键词：医疗器械；音频播放；PWM；低通滤波；D类功放

0 引言

度的逐渐增高，以及“健康中国”战略、新医改、进口替代、

行业，逐渐成为我国高新技术产业的生力军，具有市场潜力

标准。为更好的规范医疗器械市场，使医疗器械产业更好的

求，确保市面上流通的医疗器械具有高质量、高水平，能够

有源医疗器械，都需要具备一定的听觉报警功能。

医疗器械关乎于人们的身体健康，需要具有更高的质量

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

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]

。

发展，国家相关部门陆续出台了医疗器械各方面的标准要

切实保障人们的身体健康

[4]

。因此，根据标准要求，大部分

近年来，随着我国经济的高速发展、人们对健康重视程

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。

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

扬声器又称喇叭，可以将依据音频文件产生的音频电能，

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

在采样控制理论中，有一个重要的结论

[7-8]

：“冲量相

1 平台设计基础

■ 1.1 标准解读

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

再对PWM信号进行低通滤波，滤除存在差异的高频段。根

PCM数据对应的原信号等分部分面积成等比例关系。随后

据奈奎斯特采样理论，标准中要求的4000Hz频率，远小于

■ 1.3 音频文件处理

常用的计算机声卡采样频率44.1kHz，因此可视为正确重构

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

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

脉冲频率（f

0

）

特征值

根据目前正在实施的YY 0709-2009《医用电气设备第

程度，以便及时采取有效措施。为此，报警声音应清晰、易

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。

文件三类。在此，我们选取声音文件中的WAV格式作为报

目前常用的音频文件分为声音文件、模块文件和MIDI

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

0709要求的声音波形。

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

组成，分别为RIFF WAVE 块、 Format 块、 Fact 块(可选)

件预处理时，用WinHex软件打开格式的目标文件，选取

和Data 块，其中除Data块外均有固定的长度

[10]

。音频文

WAV格式，由微软公司开发，由若干个块（Chunk）

在300Hz~4000