【正文】 3) 通信接口可改為 RS232(即 COM 接口 )和 USB 兩種與計算機的通信方。今后有機會進行后續(xù)研究時，可依次進行以下改進： 1) 增加檢測項目，如包含心臟、血管、血液、微循環(huán)四大類的各項參數(shù)，動態(tài)顯示多通道信號波形，對可能患有冠心病、血管硬化、高血脂、高血粘度的患者給出及時診斷。另外，許多細節(jié)問題，如硬件部分精準的電路參數(shù)設(shè)置，軟件部分虛擬儀器面板的設(shè)計為符合實際要求等還有待提高。本文正是依據(jù)此類儀器的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)要求，通過自定義心功能檢測儀器功能，選擇友好的人機交互界面圖標符號，經(jīng)程序框圖的創(chuàng)建而設(shè)計了一種基于虛擬儀器的心功能檢測系統(tǒng)。其間包括課題設(shè)計總體方案的確定、硬件電路設(shè)計方法的選取與電路調(diào)試，以 及主要功能部分 — 虛擬儀器軟件開發(fā)平臺 (LABVIEW)各功能模塊的軟件程序設(shè)計。具體分析方法牽涉到太多醫(yī)學(xué)專題，在此不再詳述。在心電信號中， QRS 波占很大比例，而且分布于心電信號的中、高頻區(qū)域，其幅度特征也非常明顯，與其他波形的區(qū)別較為顯著，因而在心電特征檢測過程中，常常先定位 QRS 波群，其他如 P 波、 T 波、 U 波及 ST段則可以 R 波峰 值為時間基準，一一得到檢測分析，通過與正常心電信號的比較分析，進而診斷出可能的心臟疾病。 31 圖 4–9 心電信號的放大濾波前面板 圖 4–10 心電信號的放大濾波程序框圖 (其中 a 與 b 相連 ) a b 32 圖 4–11 心電信號的存儲形式 (a,b) 167。并且所存儲心電等數(shù)據(jù)的格式并非是心電圖等圖表形式，而是以文本文檔 [27]的形式記錄下來。 系統(tǒng)信息存儲模塊的設(shè)計 數(shù)據(jù)存儲主要是為了保存所采集和處理的心電數(shù)據(jù)，以便于數(shù)據(jù)的重復(fù)利用、顯示和打印等功能。 通過操作前面板上的按鈕即可實現(xiàn)心電信號的放大、 高 /低通濾波、陷波等處理，以最終獲得利于心電檢測和心電圖分析的純凈信號。 系統(tǒng)信號處理模塊的設(shè)計 首先需要采集動態(tài)心電信號，進而按照硬件電路設(shè)計中的心電信號預(yù)處理過程，依次完成信號的放大、低通濾波、高通濾波及陷波等處理。 驅(qū)動程序的用戶接口 ( M A X ) M e a s u r e m e n t amp。 圖 4–7 串行通信 VI 的前面板 30 最終，在 LABVIEW開發(fā)環(huán)境的 NI–DAQ驅(qū)動程序安裝正確的條件下，VISA通過調(diào)用底層驅(qū)動程序，經(jīng)數(shù)據(jù)采集函數(shù)，運 行已經(jīng)調(diào)試通過的數(shù)據(jù)采集程序，由數(shù)據(jù)采集卡通過 USB接口即可實現(xiàn)心電信號的上下位機之間的傳遞，即可實現(xiàn)了心電數(shù)據(jù)的傳輸與采集。 Baud rate(波特率 )、 data bits(數(shù)據(jù)比特 )、 parity(奇偶 )和 low control(流控制 )指定這個串行端口的參數(shù)， error in和 error out包含傳輸?shù)腻e誤信息。 即 VISA Configure Serial Port VI將對由 VISA resource name(VISA資源名稱 )指定的設(shè)備進 行設(shè)置， 主要是 初始化制定設(shè)備。 Return count包含確切已經(jīng)傳輸過 GPIB的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)， error in和 error out包含錯誤信息。只有在 UNXI平臺中，寫數(shù)據(jù)是同步進行的。 其中 文件讀取操作主要 是 VISA Write和 VISA Read兩個功能模塊，進行串行通信時， VISA Read函數(shù)和 VISA Write函數(shù)可以在不同類型的設(shè)備之間工作，而不管是串行通信還是 GPIB通信 [24–26]。 29 (4)關(guān)閉 VISA 傳送機制。 (2)將寫入 Write Buffer 的字符轉(zhuǎn)換成傳送的正確形式，它包含起始位，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗位和停止位。串口讀寫程序框圖如圖 4–5 所示?；旧厦颗_計算機都有一到兩個串口，在進行串行通信時除了一根連接設(shè)備與計算機的電纜線外，不需要附加其它硬件，因此串行通信非常受歡迎 [25]。當數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高或者進行遠距離傳輸時，選擇串行通信。由于所測心電等生物信號具有頻率低、幅值小等特殊性，在數(shù)據(jù)采集的前端還要進行心電信號的拾取、放大、 28 濾波等預(yù)處理，然后通過虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集卡 (DAQ)和 LABVIEW 再進行心電信號的采集、顯示、分析。 167。 167。 主要模塊的子程序設(shè)計 本心電檢測系統(tǒng)功能由以下幾大模塊來實現(xiàn)，依次為串口通信模塊、信號采集模塊、信號處理模塊、信號分析模塊、信息存儲和數(shù)據(jù)回放模塊等。其子 VI 的形式如同兇橫許框圖中的控件圖標，可根據(jù)需要自行設(shè)定起圖標引腳，非常方便實用。當然，以上各個開發(fā)階段并不能完全獨立，相互交疊的情況非常普遍，并且在完成了整個軟件開發(fā)后，對系統(tǒng)軟件的維護也是很重要的，以使設(shè)計出的基于虛擬儀器的心功能檢測系統(tǒng)具有較強的實用性。編寫代碼階段，應(yīng)先由底層 VI 開始編寫圖形代碼，在逐步向上集成，直到生成頂 27 層程序。以登錄按鈕為例，先運行前面板，然后點擊上圖中的“ 數(shù)據(jù)存儲 ”按鈕，即可進入 數(shù)據(jù)存儲 子程序，如下圖 4–3 所示。然后根據(jù)設(shè)計任務(wù)，進行系統(tǒng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，如心功能檢測系統(tǒng)前面板及總體程序框圖的設(shè)計， 見圖 4–2。在該系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中，主要經(jīng)歷了以下設(shè)計階段 ，如圖 4–1所示。 在掌握了前面板、程序框圖和圖標 /連接端口的設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，本文進行了基于虛擬儀器的心功能檢測系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計。其中圖標是子 VI在其他程序框圖中被調(diào)用的節(jié)點表現(xiàn)形式；而連接端口則表示節(jié)點數(shù)據(jù)的輸入∕ 輸出口，就像函數(shù)的參數(shù)。其中端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，節(jié)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用，圖框被用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令，而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。程序框圖實際是支持虛擬儀器實現(xiàn)其功能的核心，由 LABVIEW 圖形編程語言編寫，也可把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。并利用工具模板添加輸入控制器、輸出指示器，且控制器和指示器種類可選擇，以實現(xiàn)用戶需要的各種功能操作。 系統(tǒng)軟件程序結(jié)構(gòu) LABVIEW 應(yīng)用程序稱為 VI(Virtual Instrument)，每個 VI 包括前面板、程序框圖及圖標 /連接端口三部分。并且利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能使制成的心功能檢測系統(tǒng)各床邊機互為中央機，進而可與院方的 HIS 系統(tǒng)直接聯(lián)機，以實現(xiàn)資源網(wǎng)絡(luò)化，便于管理 分析，節(jié)約患者就醫(yī)費用等 [18–20]。即用戶在屏幕上通過虛擬儀器面板對儀器的操作如同在真實儀器上的操作一樣直觀、方便、靈活。利用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺在計算機屏幕上設(shè)計出儀器的面板，用戶通過鼠標或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕、開關(guān)和按鍵，設(shè)置各種工作參數(shù)，啟動或停止儀器。換句話就是，一臺計算機完全可以取代實驗室里的所有儀器以實現(xiàn)功能，從而節(jié)約大筆資金。比如它的靈活性體現(xiàn)在，用戶可以自定義儀器功能，選擇自己喜歡的界面圖標符號，而不像傳統(tǒng)儀器那樣，一出廠其功能及外觀已經(jīng)固化，用戶只是被動操作。它是測量技術(shù)與計算機技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。本系統(tǒng)設(shè)計軟件部分采用的正是 虛擬儀器 軟件開發(fā)平臺 —LABVIEW。 24 第四章 系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計 167?？刂菩盘栍蓡纹瑱C發(fā)送，選用的芯片是 NTF3055–160,外觀引腳簡單方便。測試時，要通過改變踏車阻力只需調(diào)節(jié)流經(jīng)踏車的電流即可。 167。用戶應(yīng)用程序并不直接與硬件打交道，而是使用 Win 32 API 調(diào)用函數(shù)對 Win 32 子系統(tǒng)進行調(diào)用，同時給設(shè)備驅(qū)動程序發(fā) I/O 請求包 (IRP)。 在進行系統(tǒng)硬件信號仿真時，本系統(tǒng)中 USB 接口模塊與單片機連接時，單片機的八位端口與 USB模塊的八位總線連接，單片機的四個 I/O 口與 USB 的 WR, RD, TXE, RXF 引腳連接，進而可由單片機控制。試驗表明，其使用方便，性能穩(wěn)定。此外，它還帶有增強版的 8051 核心和 4 kB 或 8 kB 的RAM 端點 ， 數(shù)量為 32 個， 且 CY7C64613 是帶智能 USB 接口的單片機， 因 23 而 可采用智能型的 USB 核心程序把 A/D 轉(zhuǎn)接后的數(shù)字信號經(jīng) USB 接口傳輸?shù)接嬎銠C。對于復(fù)雜與繁瑣的 USB通信，該器件可提供 EZUSB FX 固件函數(shù)庫與固件架構(gòu)，從而可大幅度地降低編寫固件程序代碼的困難程度。本系統(tǒng)選用 Cypress 半導(dǎo)體公司推出的 EZ–USB FX 全速系列中的 CY7C64613–128NC 芯片。這是其它非 USB 接口無法比擬的 。但采集系統(tǒng)與計算機的通訊接口都存在插卡插 、拔麻煩，安全性差，且擴展槽數(shù)目有限等不足。 22 選擇合適芯片進行設(shè)計 對源程序進行編譯 使用仿真器調(diào)試目標程序 將程序?qū)胄酒⒉灏暹\行 調(diào)試成功 ？ 修改源程序 運行成功？ 結(jié)束 圖 3–10 單片機軟件開發(fā)流程圖 167。由于心電信號的主要頻率范圍為~100 Hz，根據(jù)采樣定理，為了不失真地采集信號，設(shè)計時將采樣頻率定為 200 Hz，即 12 通道的心電數(shù)據(jù)采樣周期為 5 ms。 圖 3–9 單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接框圖 采用此種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還必須進行軟件編程，即系統(tǒng)上電后，首先要進行初始化設(shè)置，包括系統(tǒng)復(fù)位方式、時鐘源、電壓基準、中斷、 UART、SPI、 ADC 的設(shè)置以及用交叉 開關(guān)對 I/O 端口進行配置，這些設(shè)置可通過設(shè)置相應(yīng)特殊功能寄存器 (SFR)來進行等。根據(jù)系統(tǒng)需要，可將其端口 –、 – 配置成 12 路心電模擬信號的輸入端。每一個 I/O 引腳均可用軟件配置成模擬輸入端口，其轉(zhuǎn)換速率可達100 ksps。由于各路信號頻率特性相同，僅波形的形狀不同，因此各路信號可采用相同的信 號處理電路，即前置放大、濾波、陷波等電路。 167。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電信號檢查的關(guān)鍵部件，它能在較強的噪聲背景下，通過電極將 ~100 Hz 的微弱心電信號檢測出來，然后經(jīng)放大、A/D 轉(zhuǎn)換后送入計算機進行處理。 20 圖 3–8 35 Hz 陷波及電平抬升電路 綜上所述，由低通與高通組成的心電帶通濾波電路及二次放大電路和陷波電路對心電信號進行了再次去噪、排干擾等預(yù)處理，使得對心電信號的放大達 到近 1 000 倍，利于后續(xù)的心電信號的分析。 經(jīng)過一系列信號調(diào)理后，陷波輸出的心電信號為交變信號，而本系統(tǒng)中單片機內(nèi)置 ADC 轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍為 0~ V，因此，在送入 ADC 之前還需進行電平抬升，在圖 3–8 中，電平抬升部分由 U1, R1, R2, R3 構(gòu)成。該二階陷波器由 UA 與 UB 構(gòu)成。 35 Hz 陷波電路設(shè)計 由于人體肌電隨著個體的差異也會對心電信號造成不同程度的干擾，有時甚至淹沒心電信號，因而有必要加以抑制。 圖 3–6 50 Hz 陷波電路 19 幅頻特性如圖 3–7 所示。雖然二階有源帶阻濾波器的頻率特性對電路元件的參數(shù)比較敏感，甚至?xí)怪y以精確調(diào)試，且電路穩(wěn)定性也較差，但是，這種濾波器需用的元件數(shù)最少，并可得到正相增益，利于電路簡化，易于生產(chǎn)。 50 Hz 陷波電路設(shè)計 工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號方式進入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較強的 50 Hz 工頻干擾，所以必須專門濾除。 167。而前置放大約 10 倍，因此，還需進行放大倍數(shù)約為 100 倍的二次放大，即主放大電路是由 U Rf 和 Rr構(gòu)成的一般正反饋放大電路，電路如圖 3–5 所示。 或者選用： fAH?0 (3–9) 0fπ20?? (3–10) C1=C2=C=合適值 (一般選擇 C1=C2=C= μF100f) (3–11) 當選擇 fA =1，則 CQR 01 2 1?? CQR 02 2?? (3–12) 167。 二階有源高通、低通濾波器的參數(shù)設(shè)置 由于心電信號 頻帶主要集中在 ~100 Hz 左右，為了保證無心電信號損失，則可分別將低通濾波器和高通濾波器的截止頻率設(shè)為 低通濾波器截止頻率： ?f 高通濾波器截止頻率： Hz100H ?f 即為不損失心電信號的低頻成分，其截止頻率設(shè)計為 令 R1=R2 C1=C2 傳遞函數(shù) rffi00 1H RRAKVV ????? (3–7) 則 CfCR Lc π2 11 ?? ?， QAf 13?? (3–8) 其中 Q 為品質(zhì)因數(shù)，此種參數(shù)設(shè)計