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1 引言 虛擬醫學(xué)儀器充分利用計算機豐富的軟硬件資源，僅增設少量專(zhuān)用軟、硬件模塊，便可實(shí)現傳統儀器的全部功能及一些傳統儀器無(wú)法實(shí)現的功能，同時(shí)縮短了研發(fā)周期。本系統由兩部分組成：以C8051F320單片機為核心的數據采集裝置和以PC機為平臺的分析處理系統。設計中充分考慮數據采集裝置體積小、功耗低、操作快捷的要求，因此全部采用SMT封裝的元器件。PC監護終端通過(guò)USB接口接收數據，傳輸速率高；采用圖形編程語(yǔ)言LabVIEW編寫(xiě)顯示、存儲、分析處理等功能程序。該系統可實(shí)時(shí)監護并提供心動(dòng)周期，心率等參數，也可進(jìn)行數據的存儲回放，為心血管疾病的診斷提供依據。系統的軟件開(kāi)發(fā)和硬件與上位機軟件的集成測試表明，系統運行穩定可靠，取得了預期效果。 2 系統硬件設計 該系統由C8051F320數據采集模塊和PC機兩部分組成，如圖1所示。 數據采集模塊主要由心電采集電路和基于C8051F320單片機的DAQ接口卡構成，如圖2所示。 圖2 數據采集模塊 該模塊通過(guò)C8051F320片上A/D轉換器采集經(jīng)預處理的心電信號，再將其由USB總線(xiàn)傳輸至PC機顯示。PC機部分主要是軟件設計，包括通過(guò)C8051F320單片機片上USB主機API函數和LabVIEW軟件編寫(xiě)數據采集圖形用戶(hù)界面；實(shí)現接收、顯示和處理由數據采集模塊通過(guò)USB接口發(fā)送采集數據的程序。LabVIEW應用程序和C8051F320應用程序均采用Silicon Laboratories公司的USB Xpress開(kāi)發(fā)套件的API和驅動(dòng)程序實(shí)現對底層USB器件的讀寫(xiě)操作。 心電信號屬于微弱信號，體表心電信號的幅值范圍為1~10 mV。在測量心電信號時(shí)存在很強的干擾，包括測量電極與人體之間構成的化學(xué)半電池所產(chǎn)生的直流極化電壓，以共模電壓形式存在的50 Hz工頻干擾．人體的運動(dòng)、呼吸引起的基線(xiàn)漂移，肌肉收縮引起的肌電干擾等。采用遙測HOLTER三導聯(lián)線(xiàn)和一次性心電電極與人體接觸，能很好地減小運動(dòng)和呼吸引起的肌電干擾。前端放大器采用具有極高共模抑制比(CMRR)的儀用AD620放大器，放大倍數約為50倍；并采用0．05~100 Hz的帶通濾波器和50 Hz的陷波電路，抑制信號的基線(xiàn)漂移、高頻噪聲及工頻干擾。為了充分利用A／D轉換的精度，在轉換前先將信號放大到A／D轉換電路參考電壓的70％左右，考慮到信號中會(huì )附加直流成分，需在A(yíng)／D轉換電路前增加電平調節電路。個(gè)體心電幅度的差異要求電路中設計程控放大電路，又為了便于心電信號的標定和考慮到實(shí)際器件放大倍數與理論值的偏差，在程控放大電路前設置一個(gè)手動(dòng)可調的放大電路(1～10倍)。 綜上分析，心電采集與程控放大部分應包括：AD620前端放大、0．05~100 Hz的帶通濾波、50 Hz陷波、手動(dòng)放大、程控放大和電平提升等電路。其中程控放大功能利用CD4051電子開(kāi)關(guān)的數字選通實(shí)現，具有1～50倍的調節范圍。 為減少系統功耗，應采用低功耗、集成度高的器件。該系統選用C8051F320單片機作為數據采集卡的核心部件。該器件是完全集成的混合信號系統級器件，具有與8051兼容的高速CIP-51內核，與MCS-51指令集完全兼容，片內集成了數據采集和控制系統常用的模擬、數字外設及USB接口等其他功能部件。外部電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，如圖3所示。 圖3 外部電路 心電電極將得到的信號經(jīng)濾波和可變增益放大器放大后送至C8051F320單片機，單片機將得到的模擬心電信號實(shí)時(shí)轉換為數字信號，采集到的數據通過(guò)USB接口傳給PC機，進(jìn)一步分析處理信號數據。 3 系統軟件設計 3．1 C8051F320單片機程序設計 C8051F320單片機程序包括：(1)A／D轉換程序和程控放大控制程序；(2)基于USB器件的通信程序，接收從USB主機發(fā)送的用戶(hù)指令并將采集的數據發(fā)送給USB主機。 3．1．1 A／D轉換程序 衡量A／D轉換性能主要有兩個(gè)指標：采樣分辨率(A／D轉換器位數)和A／D轉換速度。設置A／D轉換器的采樣率為2 000 Hz，并采用定時(shí)器TIME2溢出中斷觸發(fā)轉換，每次轉換結束后1O位結果數據字被鎖存到A／D轉換器的數據寄存器中，供USB通訊子程序數據調用，圖4為A/D轉換流程。A／D轉換程序較簡(jiǎn)單，可通過(guò)設置C8051F320片上定時(shí)器確定A/D轉換器的采樣周期，由定時(shí)器的溢出周期性啟動(dòng)A／D轉換器來(lái)采樣被測數據。USB設置為塊狀傳輸模式與PC機進(jìn)行數據通信。將每64個(gè)數據打成一個(gè)數據包。以充分利用硬件資源并提高數據傳輸效率。 圖4 A/D轉換流程 3．1．2 基于USB器件的通信程序 整個(gè)程序流程以USB通信為主線(xiàn)，如圖5所示。圖中所涉及的USB_Clock_Start()、USB_Int()等函數均是Silicon Lab公司專(zhuān)為C8051F320單片機USB功能開(kāi)發(fā)的USB端API函數。通過(guò)在C8051F320上層應用程序中直接調用這些函數可方便快捷地訪(fǎng)問(wèn)USB底層硬件。 圖5 基于USB器件的通信程序流程 3．2 PC機LabVIEW程序設計 PC機LabVIEW程序設計主要完成用戶(hù)圖形界面和基于USB主機通信程序兩大功能，從而實(shí)現人機交互，將用戶(hù)輸入的指令和采集模塊采集的數據通過(guò)USB總線(xiàn)在PC機和C8051F320之間傳遞。 3．2．1 LabVIEW程序面板設計 開(kāi)發(fā)USB設備驅動(dòng)程序的工具使用USB Xpress Devel-opment Kit，主要有：SI_Open()函數；SI_Close()函數；SI_Read函數；SI_Write()函數；SI_GetNumDevices()函數；SI_CheckRX Queue()函數。用戶(hù)從設備讀取數據將調用一個(gè)應用程序接口A(yíng)PI。SI_GetNumDevices()、SI_GetProductString()等函數均是Silicon Lab公司專(zhuān)為C8051F320單片機USB功能開(kāi)發(fā)的USB主機端API函數。LabVIEW提供調用鏈接庫函數Call Librarv Function，本設計利用Silicon Lab公司的SiUSBXp．dll動(dòng)態(tài)鏈接庫來(lái)實(shí)現對USB底層硬件的訪(fǎng)問(wèn)。 通過(guò)調用SLGetNumDevices()甬數完成設備的通信初始化，生成函數返回驅動(dòng)的設備號；該設備號用來(lái)在調用SI GetProductString()函數時(shí)生成設備描述字符串。要讀取一個(gè)設備，首先必須通過(guò)調用SI_GetNumDevices()函數生成的索引(設備號)來(lái)調用SI_Open()函數。SI_Open()函數將返回設備的句柄，該句柄將在隨后的所有進(jìn)程中被用到。利用 SI_Write()和SI_Read()函數就可實(shí)現數據的輸入和輸出。當完成數據的輸入和輸出操作后，可通過(guò)調用SI_Close()關(guān)閉設備。圖6為I／O接口驅動(dòng)程序框圖。 3．2．2 LabVIEW程序設計用戶(hù)圖形界面(前面板)設計 動(dòng)態(tài)心電監護系統應用程序部分可實(shí)現心電信號的接收、實(shí)時(shí)顯示、存儲及回放功能；并可提供心動(dòng)周期、心率等參數，為心率變異性分析和心血管疾病的診斷提供依據。心電監護系統顯示界面如圖7所示。 圖5 心電監護系統顯示界面 4 結論 該設計不僅可實(shí)現傳統測量?jì)x器的全部功能，還能將實(shí)驗數據存盤(pán)以進(jìn)行反復觀(guān)察分析�；�虛擬儀器的心電監護系統使用靈活方便、測試功能豐富、成本低廉。用戶(hù)可根據實(shí)際需要，通過(guò)修改軟件改變其功能和升級，實(shí)現一機多用。實(shí)驗結果表明：該系統具有較強的抑制基線(xiàn)漂移能力、低功耗、操作簡(jiǎn)單。采用USB接口實(shí)時(shí)傳輸心電數據，并將心電數據采集模塊設計為計算機外設，高速快捷。由于全部采用SMT封裝，數據采集模塊尺寸僅為60 mmx60 mm，方便實(shí)用。因此，該設計是一款實(shí)用的、低成本的、動(dòng)態(tài)心電監護系統。 |
