【正文】 基于 LabVIEW 的心電 信號 測試系統(tǒng)（心電信號采集） 1 1 緒論 由于計算機技術發(fā)展迅猛 , 且具有眾多廠商的軟硬件支持 , 使其在各領域的應用得到了長足的發(fā)展 , 同時也促進了圖形開發(fā)軟件包和圖形開發(fā)環(huán)境的迅速普及 【 2】 。虛擬儀器是計算機硬件資源、儀器與實驗系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源三者的有效結合。在虛擬儀器的圖形軟件開發(fā)平臺研究方面 , 最有代表性的是 LabVIEW虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 【 3】 。LabVIEW 是一種基于圖形化語言的開發(fā)、調試、運行的集成化虛擬儀器開發(fā)平臺 。 它針對測試系統(tǒng)軟件開發(fā)的需要將數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、輸出和遠程傳輸?shù)纫恍┏Ｓ玫墓δ苣K化 , 通過對程序模塊的調用 , 提高了模塊的復用度和軟件的開發(fā)效率 【 4】 。 LabVIEW 是一種面向對象的圖形化編程語言開發(fā)環(huán)境， 本文對其在醫(yī)學心電信號采集與處理中的應用將做出具體介紹。由于心電信號經(jīng) DAQ 數(shù)據(jù)采集卡采集后，在 LabVIEW 的前面板上只能顯示出最原始，最簡單的數(shù)據(jù)，尚不能直觀的看出心電信號的心率大小等信息。因此，本次設計的 目的 是開發(fā) 一套基于 LabVIEW 的心電信號 測試 系統(tǒng) ，要求在 LabVIEW的前面板上能直觀的讀取心率數(shù)據(jù)。這種方法在國際上，并不是 一個新的課題，前人已有過研究。但是他們采用的計 算方法都比較復雜。 所以，在延續(xù)已有的研究方案上，本人想設計出一套更為簡單、便捷的測試系統(tǒng)。實驗 方法 均是 在插入式信號采集 卡 DAQ 的硬件支持下 ， 利用 LabVIEW 編程軟件 ， 設計一套 多 通道心電信號采集 測試 系統(tǒng) 。使用模擬心電信號發(fā)生器，將心電信號 進行 調試和放大處理， 然后 輸入 DAQ 數(shù)據(jù)采集卡 進行采集 ， 最終在電腦上通過 LabVIEW 編程軟件的界面，顯示出連續(xù)的，完整的心電信號。通過對 LabVIEW的編程，使電腦能顯示出心率大小，信號采集次數(shù)和信號采集頻率的信息。與已有的方案相比，本次設計的不同之處就在于如何對 LabVIEW 進行編程 【 5】 。 本人的設計重點是信號的采集部分，對于種種設計中應注意的問題，和細節(jié)，將在本文中得以解釋。 2 虛擬儀器概述 虛擬儀器（ virtual instrumention）是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝 入計算機。以通用的計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托 ，實現(xiàn)各種儀器功能， 虛擬儀基于 LabVIEW 的心電 信號 測試系統(tǒng)（心電信號采集） 2 器主要是指這種方式。下面的框圖（ 1）反映了常見的虛擬儀器方案。 圖（ 1） 常見的虛擬儀器組建方案 虛擬儀器的主要特點有： （ 1） 盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。 （ 2） 可充分發(fā)揮計算機的能力，有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的儀器。 （ 3） 用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。 虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 虛擬儀器的研究中涉及的基礎理論主要有計算機數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理。目前在這一領域內，使用較為廣泛的計算機語言是美 國 NI 公司的 LabVIEW。 虛擬儀器的起源可以追朔到 20 世紀 70 年代，那時計算機測控系統(tǒng)在國防、航天等領域已經(jīng)有了相當?shù)陌l(fā)展。 PC 機出現(xiàn)以后，儀器級的計算機化成為可能，甚至在 Microsoft公司的 Windows 誕生之前， NI 公司已經(jīng)在 Macintosh 計算機上推出了 以前的版本。對虛擬儀器和 LabVIEW 長期、系統(tǒng)、有效的研究開發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認的權威 【 6】 。 3 數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)簡介 在計算機廣泛應用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類 型信號采集的難易程度差別很大。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實際的問題要解決。 在通用微機系統(tǒng)里，含有一塊非常重要的采集卡 —— DAQ 數(shù)據(jù)采集卡 ,它是完成采集系統(tǒng)的不可或缺的部分。 3． 1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構成 被測對象信號調理數(shù)據(jù)采集卡虛擬儀器面板數(shù)據(jù)處理基于 LabVIEW 的心電 信號 測試系統(tǒng)（心電信號采集） 3 圖（ 2） 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構 上圖表示了數(shù)據(jù)采集的結構。在數(shù)據(jù)采集之前，程序將對 采集 板卡初始化，板卡上和內存中的 Buffer 是數(shù)據(jù)采集存儲的中間環(huán)節(jié)。需要注意的兩個問題是：是否使用 Buffer？是否使用外觸發(fā)啟動、停止或 同步一個操作。 3． 1． 1 緩沖（ Buffers） 這里的緩沖指的是 PC 內存的一個區(qū)域（不是 數(shù)據(jù)采集卡 上的 FIFO 緩沖），它用來臨時存放數(shù)據(jù)。例如，你需要采集每秒采集幾千個數(shù)據(jù)，在一秒內顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到 Buffer，你就可以先將它們快速存儲起來，稍后再重新找回它們顯示或分析。需要注意的是 Buffer 與 采集 操作的速度及容量有關。如果你的卡有 DMA 性能，模擬輸入操作就有一個通向計算機內存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計算機的內存。 不使用 Buffer 意 味著對所采集的每一個數(shù)據(jù)你都必須及時處理（圖形化、分析等），因為這里沒有一個場合可以保持你著手處理的數(shù)據(jù)之前的若干數(shù)據(jù)點。 下列情況需要使用 Buffer I/O： 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過了實際顯示、存儲到硬件，或實時分析的速度。 需要連續(xù)采集或產(chǎn)生 AC 數(shù)據(jù)（ 10 樣本／秒），并且要同時分析或顯示某些數(shù)據(jù)。 采樣周期必須準確、均勻地通過數(shù)據(jù)樣本。 下列情況可以不使用 Buffer I/O： 數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個通道之一采集一個數(shù)據(jù)點。 需要縮減存儲器的開支。 3． 1． 2 觸發(fā)（ Triggering） 基于 LabVIEW 的心電 信號 測試系統(tǒng)（心電信號采集） 4 觸發(fā)涉及初始化、終止或同步 采集 事件的任何方法。觸發(fā)器通常是一個數(shù)字或模擬信號，其狀態(tài)可確定動作的發(fā)生。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動 /停止數(shù)據(jù)采集。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了 采集 事件的時間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進一步分為外部觸發(fā)和內部觸發(fā)。當某一模入通道發(fā)生一個指定的電壓電平時，讓卡輸出一個數(shù)字脈沖，這是內部觸發(fā)。采集卡等待一個外部儀器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)。許多儀器提供數(shù)字輸出（常稱為“ trigger out”）用于觸發(fā)特定的裝置或儀器，在這里，就是 數(shù)據(jù)采集卡 。 下列情況使用軟件觸發(fā)： 用戶需要對所有 采集 操作有明確的控制，并且 事件定時不需要非常準確。 下列情況使用硬件觸發(fā)： 采集 事件定時需要非常準確。 用戶需要削減軟件開支。 采集 事件需要與外部裝置同步。 3． 2 數(shù)據(jù)采集 (DAQ)卡 3． 2． 1 DAQ 數(shù)據(jù)采集卡簡介 LabVIEW的數(shù)據(jù)采集（ Data Acquisition）程序 庫 包括了 許 多 NI公 司 數(shù)據(jù)采集（ DAQ）卡 的 驅 動控制程序。 通常 ，一塊 卡 可以 完 成多種功能 模 /數(shù) 轉換 ，數(shù) /模 轉換 ，數(shù) 字 量輸入 /輸出，以 及 計數(shù)器 /定時器操作等。用戶在使用 之 前必須 DAQ卡 的 硬件進 行 配 置。這些控制程序用到了 許 多 低 層的 DAQ驅 動程序。 本課 程 需要 一塊 安裝好 的 DAQ卡 以 及 LabVIEW開發(fā) 系 統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集 系 統(tǒng)的 實物 組 成 如圖（ 3）所示 ： 圖（ 3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成 DAQ系 統(tǒng)的 基 本任 務 是 物 理 信號 的 產(chǎn)生或 測量。 但 是 要 使計算機 系 統(tǒng)能 夠 測量 物 理 信基于 LabVIEW 的心電 信號 測試系統(tǒng)（心電信號采集） 5 號 ，必須 要 使用傳 感 器把 物 理 信號轉換 成 電 信號 （ 電壓 或者 電 流 信號 ）。有時不能把被測信號 直接連接到 DAQ卡 ，而必須使用 信號 調理 輔 助 電 路 ，先 將信號進 行一定的 處 理。 總 之 ，數(shù)據(jù)