家庭醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1、摘 要隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，全球的環(huán)境也發(fā)生了巨大的變化，各種病毒隨著各類污染源的出現(xiàn)而產(chǎn)生，對(duì)人們的健康造成了相當(dāng)大的危害。尤其是近幾年流感病毒的蔓延和心腦血管疾病的高發(fā)病率受到了全球的高度關(guān)注。計(jì)算機(jī)逐步進(jìn)入家庭，為研制具有分析、處理和存儲(chǔ)能力的家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)提供了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。為了提高預(yù)防和監(jiān)測(cè)疾病的水平，對(duì)常見(jiàn)病、慢性病進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本課題設(shè)計(jì)了一種家庭醫(yī)療護(hù)理和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以在家庭里面，方便、快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)體溫信號(hào)、心電信號(hào)和脈搏信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且能對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的分析和存儲(chǔ)。系統(tǒng)包括傳感器模塊、放大電路模塊、DAQ數(shù)據(jù)采集模塊和PC機(jī)軟件編程幾個(gè)部分。分別通過(guò)溫度傳感器

2、和心電傳感器獲取到體溫信號(hào)和心電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬電路處理，再把經(jīng)處理的信號(hào)送到數(shù)據(jù)采集卡輸進(jìn)計(jì)算機(jī)，然后利用Labview編程，對(duì)體溫信號(hào)進(jìn)行標(biāo)度變換、從心電信號(hào)中提取脈搏信號(hào)和實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)時(shí)域和頻域的分析和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，最后把處理和分析的結(jié)果通過(guò)人機(jī)界面顯示出來(lái)。關(guān)鍵詞：家庭醫(yī)療監(jiān)測(cè)，虛擬儀器，數(shù)據(jù)采集接口，ECG，體溫AbstractWith the progress of the society and the development of technology, the global environment has changed greatly. Various virus come i

3、nto being with lots of pollution, which make great damage to peoples health. Especially, in recent years, people pay morn attention to the spread of influenza viruses and the high incidence of cardial-cerebral disease. Computer gradually entering the family for a family medical care system whicn can

4、 analysize, process and storage data provides a solid foundation. In order to improve the level of disease prevention and real-timely monitoring of common disease and chronic disease,.This subject designs a family medical care monitoring system, which be installed family can monitor the temperature

5、signal, ECG signals and pulse signal conveniently and quickly. System including sensor module, amplifying circuit module, DAQ data acquisition module , software module and PC module. The temperature signal and electrode signal which are collected through the temperature sensor and ECG electrode clip

6、 acquisition, then amplified by circuit amplifier, and then put the signals into the data acquisition card, and using the Labview, calibrating the temperature signal ,expracping pulse signal from ECG signal and processing, time domain and frequency domain, finally displaying the results of the proce

7、ssing and analysis by human-machine interface display.to us1.Key words：Homecare monitoring , Virtual instrument , Data acquisition interface , ECG, Temperature目 錄1 緒論11.1 題目背景11.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況21.3 研究?jī)?nèi)容和目的32 系統(tǒng)分析與整體結(jié)構(gòu)42.1 體溫信號(hào)的測(cè)量42.2 心電信號(hào)的測(cè)量42.2.1心電信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理42.2.2 心電信號(hào)的特點(diǎn)52.2.3 心電傳感器與心電導(dǎo)聯(lián)52.3 脈搏信號(hào)的測(cè)量62.4 系統(tǒng)

8、整體結(jié)構(gòu)73 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)83.1 體溫信號(hào)測(cè)量模塊83.1.1 溫度傳感器83.1.2 模擬放大電路93.2 心電信號(hào)測(cè)量模塊113.2.1 心電傳感器113.2.2 模擬放大和濾波電路123.3數(shù)據(jù)采集卡模塊274系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)314.1軟件平臺(tái)的介紹314.2軟件實(shí)現(xiàn)的功能314.3軟件的設(shè)計(jì)324.3.1信號(hào)的采集324.3.2脈搏信號(hào)的提取344.3.3信號(hào)的數(shù)值顯示和波形顯示344.3.4信號(hào)的保存與回放354.3.5體溫和脈搏信號(hào)的時(shí)域特征分析364.3.6心電信號(hào)的時(shí)域分析和頻域分析364.4軟件的整體層次結(jié)構(gòu)36總 結(jié)43參考文獻(xiàn)45致 謝461 緒論1.1 題目背景隨著社會(huì)的

9、進(jìn)步，科技的發(fā)展，尤其是最近十幾年全球人口老齡化的問(wèn)題出現(xiàn)，醫(yī)療保健和福利受到了前所未有的高度關(guān)注，特別是對(duì)家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)的需求。目前醫(yī)療電子設(shè)備所面臨的一些主要問(wèn)題包括：便攜式和家庭式、實(shí)時(shí)性和安全性、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸以及性能的可靠性。最近幾十年工業(yè)的高度發(fā)展，帶來(lái)了諸多的社會(huì)問(wèn)題，其中各種環(huán)境的污染，對(duì)人們的健康和生活造成了巨大的威脅。流感病毒的產(chǎn)生和迅速蔓延是危害人們健康的一個(gè)重要的源頭。感染流感病毒的主要癥狀有：感冒、發(fā)燒、咳嗽等等，這些癥狀主要經(jīng)人體體溫的變化表現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)對(duì)體溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)、方便地判斷人們是否感染病毒或出現(xiàn)一般的感冒、發(fā)燒等癥狀。另外，心臟疾病例如心臟病、心肌梗

10、塞等已成為世界上死亡率最高的疾病之一。心臟病具有突發(fā)的特點(diǎn)，許多心臟病患者往往因?yàn)闆](méi)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)病變而進(jìn)行早期搶救，極易死亡。心電圖是心臟病診斷的重要工具，在臨床中有一些心臟病患者在短時(shí)間內(nèi)其心電圖并無(wú)異常，這樣就需要花相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間在醫(yī)院中進(jìn)行觀察診斷，從而給患者和醫(yī)院造成了諸多麻煩。隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)自身健康的重視程度在日益增加，如果能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到體溫和心電的變化，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一般疾病、流感病以及心臟病的及時(shí)的診斷和治療?？茖W(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，為了滿足人們的需要，各種新的醫(yī)療儀器和設(shè)備不斷出現(xiàn)，其中，家庭醫(yī)療護(hù)理技術(shù)是一個(gè)研究熱點(diǎn)。家庭醫(yī)療護(hù)理技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和醫(yī)療檢測(cè)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物

11、，現(xiàn)代科技特別是通訊、計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)的迅速發(fā)展，為家庭醫(yī)療護(hù)理技術(shù)的發(fā)展提供了先進(jìn)的技術(shù)支持，使人們能夠享受到更方便、更快捷的醫(yī)療服務(wù)。隨著社會(huì)的信息化，人們的生活方式正在產(chǎn)生巨大的變革，醫(yī)療護(hù)理的觀念和方式也發(fā)生了很大的變化，家庭醫(yī)療護(hù)理也越來(lái)越受到人們的重視，目前，無(wú)論是在國(guó)內(nèi)，還是在國(guó)外，家庭醫(yī)療護(hù)理技術(shù)都得到重視和廣泛的關(guān)注。1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，人類的健康觀念、健康方式和途徑都發(fā)生著深刻的變化，科學(xué)技術(shù)的革命必將推動(dòng)醫(yī)療領(lǐng)域的變革。家庭醫(yī)療保健工程（Home Health Care Engineering）簡(jiǎn)稱HHCE2，是一門新興的邊緣技術(shù)學(xué)科，是當(dāng)代

12、高技術(shù)和醫(yī)療結(jié)合的產(chǎn)物。目前全世界都在推廣家庭醫(yī)療保健工程，與HHCE 有關(guān)的研究項(xiàng)目已在美國(guó)、歐共體和日本的國(guó)家基金會(huì)中列為優(yōu)先資助課題。日本方面權(quán)威人士則將HHCE 作為今后幾十年生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展的中心任務(wù)，日本厚生省已將發(fā)展家庭健康管理系統(tǒng)列為重點(diǎn)，各大公司和大學(xué)紛紛合作投入相應(yīng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研究。歐共體的生物醫(yī)學(xué)與健康發(fā)展戰(zhàn)略，把“通過(guò)增進(jìn)健康來(lái)改善生命質(zhì)量”、“提高保健質(zhì)量，控制保健費(fèi)用”作為目標(biāo)，把HHCE 作為具有重大社會(huì)影響的工程技術(shù)項(xiàng)目列入發(fā)展規(guī)劃。另一些發(fā)達(dá)或中等發(fā)達(dá)國(guó)家，如法國(guó)、加拿大、日本、澳大利亞、及至發(fā)展中的國(guó)家韓國(guó)、希臘等都十分重視遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療的發(fā)展。加拿大和澳大利

13、亞由于幅員廣闊、邊遠(yuǎn)地區(qū)沒(méi)有現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)施，因而早在七十年代就開(kāi)始這方面的研究。目前，與HHCE 相關(guān)的醫(yī)療儀器，即HHCE 設(shè)備，處在一個(gè)初始發(fā)展階段。“全球醫(yī)療設(shè)備展覽會(huì)”從95 年度的會(huì)議開(kāi)始，突出了HHCE 主題，每一次展覽會(huì)上展出許多小型的家用診斷、治療、康復(fù)儀器，例如，制作精巧的血壓、血氧濃度、體溫、呼吸、睡眠等生理參數(shù)測(cè)試儀器，各種脈沖、電頻電療儀，呼吸道治療儀，制氧機(jī)，按摩、保健設(shè)備器材等，而且在水平和技術(shù)一年比一年先進(jìn)，價(jià)格也有所下降。水平和技術(shù)一年比一年先進(jìn)，價(jià)格也有所下降。在遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)備方面，我國(guó)近年來(lái)也有較大的發(fā)展，一些研究成果相繼應(yīng)用于臨床，如清華大學(xué)研制的“家

14、庭心電/血壓遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)網(wǎng)系統(tǒng)”已在澳門地區(qū)和清華園投入使用；王湘生教授開(kāi)發(fā)的“護(hù)心神”電話傳輸心臟監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、珠海華誠(chéng)集團(tuán)和珠海中立電子公司的心臟BP 機(jī)系列目前正在北京市等各大城市推廣使用。然而，目前遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)還沒(méi)有達(dá)到理想的水平，就國(guó)內(nèi)而言，該領(lǐng)域的研究也屬于剛起步階段，達(dá)到商業(yè)化、普遍化的產(chǎn)品還是屈指可數(shù)。在國(guó)際方面，世界各國(guó)在此的研究均投入大量資金，但依然沒(méi)有取到滿意的車改過(guò)和回報(bào)。總之，家庭醫(yī)療護(hù)理技術(shù)的研究還是當(dāng)今社會(huì)的一大熱點(diǎn)，能夠使家庭醫(yī)療護(hù)理儀器或設(shè)備像電視、冰箱等家電一樣，普及到每一個(gè)家庭，向便攜式、經(jīng)濟(jì)型方向發(fā)展是國(guó)內(nèi)外關(guān)注的重點(diǎn)。1.3 研究?jī)?nèi)容和目的根據(jù)上述對(duì)家

15、庭醫(yī)療護(hù)理系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的現(xiàn)狀的詳細(xì)分析，本題目研究的主要目的是為家庭或小型醫(yī)療單位提供低成本、體積小巧、人性化操作界面、便攜式、性能穩(wěn)定性好、具備顯示、分析、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ艿募彝メt(yī)療護(hù)理和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的解決方案。為人們提供更多保障和方便，從而提高人們的生活質(zhì)量本題目研究的主要內(nèi)容是根據(jù)要求設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單、快捷地對(duì)人體溫度、心電和脈搏進(jìn)行測(cè)量和分析的家庭醫(yī)療護(hù)理和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)有以下幾個(gè)主要的內(nèi)容。（1）經(jīng)過(guò)方案的比較，選用合適的溫度傳感器和心電傳感器獲取體溫和心電信號(hào)；（2）根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合適的模擬電路對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大或?yàn)V波；（3）通過(guò)虛擬儀器平臺(tái)Labview編程，

16、對(duì)各信號(hào)進(jìn)行處理，如實(shí)現(xiàn)體溫信號(hào)的標(biāo)度變換，從心電信號(hào)中提取脈搏信號(hào)；（4）通過(guò)虛擬儀器平臺(tái)Labview編程，對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析；如均值和方差分析、自相關(guān)分析和頻譜分析；（5）通過(guò)人機(jī)界面顯示出體溫、心電和脈搏信號(hào)。2 系統(tǒng)分析與整體結(jié)構(gòu)2.1 體溫信號(hào)的測(cè)量體溫（即人體溫度）是指機(jī)體內(nèi)部的溫度。體溫是相對(duì)恒定的正常人在24小時(shí)內(nèi)體溫略有波動(dòng)。一般相差不超過(guò)1度。生理狀態(tài)下，早晨體度略低，下午略高。運(yùn)動(dòng)、進(jìn)食后、婦女月經(jīng)期前或妊娠期體溫稍高，而老年人體溫偏低。體溫高于正常稱為發(fā)熱，37.538度為低熱，3839度為中度發(fā)熱，3940度為高熱，40度以上為超高熱。體溫相對(duì)恒定是維持

17、人體正常生命活動(dòng)的重要條件之一，如體溫高于41度或低于35度時(shí)將嚴(yán)重影響各系統(tǒng)（特別是神經(jīng)系統(tǒng)）的機(jī)能活動(dòng)，甚至危害生命。機(jī)體的產(chǎn)熱和散熱，是受神經(jīng)中樞調(diào)節(jié)的，很多疾病都可使體溫正常調(diào)節(jié)機(jī)能發(fā)生障礙而使體溫發(fā)生變化。臨床上對(duì)病人檢查體溫，觀察其變化對(duì)診斷疾病或判斷某些疾病的預(yù)后有重要意義。常用的方法有口腔測(cè)量法、腋下測(cè)量法和肛門測(cè)量法三種。盡管肛門測(cè)量法的測(cè)量結(jié)果相對(duì)比較準(zhǔn)確，但是一般僅限于醫(yī)院專用，在家庭中大多數(shù)選用前兩種方法，而根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際情況，選用常用的溫度傳感器進(jìn)行口腔法測(cè)量不太合適，所以本系統(tǒng)選用方便、簡(jiǎn)單的腋下測(cè)量法，也是家庭醫(yī)療儀器中較為常用的一種方法。本系統(tǒng)采用較為快捷的腋

18、下測(cè)量法，利用的傳感器是半導(dǎo)體溫度傳感器LM35。2.2 心電信號(hào)的測(cè)量心電信號(hào)是一種復(fù)雜的人體生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，所以對(duì)心電系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)有其特殊性，不同于一般工程中的情況。對(duì)心電信號(hào)的了解有助于系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)。首先，了解一下心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)及心電圖知識(shí)。2.2.1心電信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理在人體內(nèi)，竇房結(jié)發(fā)出一次興奮，按一定途徑和時(shí)程依次傳向心房和心室，引起整個(gè)心臟興奮。因此，每個(gè)心動(dòng)周期中，心臟各個(gè)部分興奮過(guò)程中出現(xiàn)的生物電變化的方向、途徑、次序和時(shí)間都有一定規(guī)律。這種生物電變化通過(guò)心臟周圍的導(dǎo)電組織和體液反映到身體表面上，使身體各部位在每一心動(dòng)周期中也都發(fā)生有規(guī)律的

19、生物電變化，即心電位。若把測(cè)量電極放置在人體表面的一定部位，記錄出心臟電位變化曲線，即常規(guī)心電圖(Electrocardiogram，簡(jiǎn)稱ECG)。2.2.2 心電信號(hào)的特點(diǎn)正常的心電波形如圖2.1所示。心電圖一般包括P波、ORS復(fù)合波和T波，有時(shí)可看到后繼的U波。連接兩個(gè)波群之間的是心電圖的基線，即等電位線，反映此時(shí)各部分心肌的電位相等，體表電極上無(wú)電位差。圖2.1 正常的心電波形圖心電信號(hào)屬醫(yī)學(xué)生物信號(hào)，它一般具有以下特點(diǎn)。1、信號(hào)微弱。它的幅度在0.055mV之間；2、頻率低。頻譜范圍為0.05100Hz，且能量主要在0.520Hz之間；3、近場(chǎng)檢測(cè)。離開(kāi)人體表微小的距離，就基本上檢測(cè)不

20、到信號(hào)；4、隨機(jī)性強(qiáng)。即信號(hào)無(wú)法用確定的函數(shù)描述，而只能用統(tǒng)計(jì)的方法，從大量測(cè)量結(jié)果中看其規(guī)律；5、干擾強(qiáng)。干擾既來(lái)自生物體內(nèi)(如肌電干擾、呼吸干擾等)，也來(lái)自生物體外(如工頻干擾、信號(hào)拾取時(shí)因不良接地等引入的其他外來(lái)串?dāng)_等)。2.2.3 心電傳感器與心電導(dǎo)聯(lián)目前國(guó)內(nèi)外供臨床廣泛使用的心電傳感器有兩種銀/氯化銀電極和金屬心電電極夾。銀/氯化銀電極是用銀粉和氯化銀粉壓制而成的，是一種較為理想的體表心電信號(hào)檢測(cè)電極。使用時(shí)，電極片和皮膚之間充滿導(dǎo)電膏或鹽水棉花，形成一薄層電解質(zhì)來(lái)傳遞心電信號(hào)， 從而有效的保證了由于電極片與皮膚直接接觸所造成的極化電壓的減小。但是，由于它的敏感元件比較小，在使用過(guò)程

21、中不太方便，而且容易脫落。所以本系統(tǒng)采用的心電傳感器是市場(chǎng)上和醫(yī)療上常用的金屬心電電極夾。它是一種用于心電圖機(jī)的電極夾，包括基板和滑動(dòng)板，基板與抓捏部一體或固定連接，基板上設(shè)有自前至后延伸的滑槽，滑動(dòng)板的后半部是與所述滑槽相匹配的滑塊，滑塊處于滑槽中并與滑槽作滑動(dòng)配合，電極導(dǎo)電片安裝在一個(gè)所述滑動(dòng)板的前半部上，夾持部的長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，使電極夾的大小與受檢測(cè)者肢體的粗細(xì)相適應(yīng)，因而電極夾夾持力合適，既能使電極導(dǎo)電片能與肢體皮膚接觸良好，準(zhǔn)確診斷心臟電活動(dòng)，又能防止檢測(cè)過(guò)程中電極夾脫落，并且使受檢測(cè)者沒(méi)有不適的感覺(jué)。由于在不同位置記錄出來(lái)得心電圖是不一致的，臨床上為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的ECG波形，

22、對(duì)測(cè)定ECG的電極夾位置和導(dǎo)線與放大器的連接方式都有嚴(yán)格的統(tǒng)規(guī)定，該規(guī)定稱之為心電圖導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。臨床上廣泛應(yīng)用的是標(biāo)準(zhǔn)十二導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，分別記為I、lI、III、aVR、aVL、aVF、VlV6。其中I、II、III為雙極導(dǎo)聯(lián)，VR、aVL、aVF、VlV6單極導(dǎo)聯(lián)，當(dāng)需要測(cè)量?jī)牲c(diǎn)電位差時(shí)用雙極導(dǎo)聯(lián)，當(dāng)需要測(cè)量某一點(diǎn)參考電位時(shí)，用單極導(dǎo)聯(lián)3。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)方式，即I、II、III導(dǎo)聯(lián)進(jìn)行信號(hào)的提取。分別取左右臂的信號(hào)作前置差分放大器的正負(fù)端輸入，取右腳的信號(hào)做浮值跟蹤參考端。 同時(shí)，為了消除干擾，本系統(tǒng)采用雙絞型屏蔽線作為傳輸?shù)膶?dǎo)線，左右臂取同一根屏蔽線中的兩根導(dǎo)線，右腳單獨(dú)使用一根屏

23、蔽線，并把所有屏蔽線的外層屏蔽層連在一起，作為屏蔽層的驅(qū)動(dòng)的輸入。2.3 脈搏信號(hào)的測(cè)量脈搏即動(dòng)脈搏動(dòng)，脈搏頻率即脈率。正常成人為60100次/分，常為每分鐘7080次，平均約72次/分。老年人較慢，為5560次/分。正常人脈率規(guī)則，不會(huì)出現(xiàn)脈搏間隔時(shí)間長(zhǎng)短不一的現(xiàn)象，脈搏強(qiáng)弱均等，一般不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)弱交替的現(xiàn)象。由于正常人的脈搏和心跳是一致的。由心電圖可以測(cè)出脈搏的次數(shù)，因此，本系統(tǒng)中沒(méi)有直接對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行采集和處理，而是從心電信號(hào)中提取，一分鐘心跳的次數(shù)即為這一分鐘內(nèi)脈搏的次數(shù)，也就是我們所說(shuō)的脈搏。2.4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)包括傳感器模塊、模擬放大電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及PC機(jī)軟件編程模塊

24、幾個(gè)部分。其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。由溫度傳感器和心電傳感器監(jiān)測(cè)到的信號(hào)分別經(jīng)模擬放大電路和模擬放大濾波電路處理，然后輸入到數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后輸入PC機(jī)，利用Labview編程，實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的提取和對(duì)各數(shù)據(jù)的顯示、分析和存儲(chǔ)等功能。圖2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的功能和組成部分，本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為體溫信號(hào)測(cè)量模塊、心電信號(hào)測(cè)量模塊和數(shù)據(jù)采集卡模塊。3.1 體溫信號(hào)測(cè)量模塊3.1.1 溫度傳感器根據(jù)上述的分析，人體溫度大概在3543度之間，所以要求溫度傳感器的線性范圍大概是30到50度。常用的可選溫度傳感器有AD590和LM35，對(duì)這兩種傳感器做一簡(jiǎn)單的比較。

25、1、溫度傳感器AD590的主要特性。（1）流過(guò)器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)。 (3.1)式中，Ir流過(guò)器件(AD590) 的電流，單位為A；T熱力學(xué)溫度，單位為K；（2）測(cè)溫范圍為-55+150;（3）電源電壓范圍為4V30V?？梢猿惺?4V正向電壓和20V反向電壓;（4）精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為0.34。2、溫度傳感器LM35的主要特性。（1）能夠輸出跟攝氏度成正比的電壓，就如同一個(gè)能產(chǎn)生10mV/的高阻電壓源。即 (3.2)（2）測(cè)溫范圍為-55+150；（3） 電源電壓范圍為430

26、V，在此電壓范圍內(nèi)，芯片從電源吸收的電流幾乎是不的（約50uA），所以芯片自身幾乎沒(méi)有散熱的問(wèn)題；（4）精度較高，非線性誤差為0.40.8。由于溫度傳感器AD590的輸出信號(hào)是1uA級(jí)的微弱電流信號(hào)，而參考電位是電壓信號(hào)。因此需用運(yùn)放把微弱信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；而且它的精度高，非線性誤差較低，但是其價(jià)格較昂貴。雖然LM35的精度比不上AD590，但誤差仍在可以接受的范圍內(nèi)，且其電路簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，而且輸出的是較高的電壓信號(hào)，因此，本系統(tǒng)選擇LM35做為體溫傳感器。LM35是由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（NS）生產(chǎn)的一種精密攝氏集成溫度傳感器，常見(jiàn)的封裝形式有三種，根據(jù)本系統(tǒng)的特點(diǎn)選用TO-92

27、塑封封裝。其引腳排列如圖3.1所示。圖3.1 LM35的TO-92塑封封裝3.1.2 模擬放大電路由于溫度傳感器LM35在常溫范圍左右輸出是mV級(jí)的電壓信號(hào)，不便于實(shí)際的測(cè)量，故需要做進(jìn)一步的放大。本系統(tǒng)選用常用的集成放大電路OP07。OP07是高精度低失調(diào)電壓的精密運(yùn)放集成電路，用于微弱信號(hào)的放大。如果使用雙電源，能達(dá)到最好的放大效果。它的主要參數(shù)如下：（1）低的輸入噪聲電壓幅度：（2）0.35 VP-P (0.1Hz10Hz)；（3）極低的輸入失調(diào)電壓：10V；（4）極低的輸入失調(diào)電壓溫漂：0.2 V/；（5）具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性：0.2 V/MO；（6）低的輸入偏置電流：1nA；（7）高的共

28、模抑制比：126dB；（8）寬的共模輸入電壓范圍：14V；（9）寬的電源電壓范圍：3V22V；OP07有三種封裝方式，在此選用最常用的DIP封裝方式，如圖3.2所示。圖3.2 OP07的管腳圖采用雙極性電源供電，其中，1腳和8腳為偏置平衡(調(diào)零端)，2腳為反向輸入端，3腳為正向輸入端，4腳接負(fù)電源，5腳為空腳 6腳為輸出，7腳接正電源。根據(jù)上述要求，放大電路如圖3.3設(shè)計(jì)5。并用電路仿真軟件Multisim進(jìn)行仿真6。溫度傳感器LM35的輸出用1000mV的直流電源和1K的可變電阻器模擬。 圖3.3 體溫放大電路圖根據(jù)同相放大電路的原理，可得電路的電壓增益為： (3.3)其中為可變電阻器，調(diào)節(jié)

29、，可以改變放大的增益，從而達(dá)到合適的效果。在實(shí)際電路中，LM35和OP07采用統(tǒng)一的8V穩(wěn)壓電源供電，在室內(nèi)27下，LM35未經(jīng)放大時(shí)的輸出為27mV左右，說(shuō)明該傳感器能夠正常工作，調(diào)節(jié)電路中的滑動(dòng)變阻器可以改變放大電路的電壓增益，例如調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使得常溫下輸出為3V左右，由此可得該部分的電路設(shè)計(jì)無(wú)論是理論還是實(shí)際都是可行的。實(shí)際制作出來(lái)的實(shí)物圖如圖3.4所示。圖3.4 體溫模塊的實(shí)物圖3.2 心電信號(hào)測(cè)量模塊3.2.1 心電傳感器本系統(tǒng)采用的心電傳感器是市場(chǎng)上和醫(yī)療上常用的心電電極夾。它的外形如圖3.5所示。它是一種用于心電圖機(jī)的電極夾，包括一對(duì)能圍繞共同轉(zhuǎn)軸相互轉(zhuǎn)動(dòng)的夾板、一個(gè)彈簧和一個(gè)

30、電極導(dǎo)電片，夾板處于轉(zhuǎn)軸后方的部分為抓捏部，夾板處于轉(zhuǎn)軸前方的部分為夾持部。圖3.5 心電電極夾的外形其特征是：所述夾板的夾持部包括基板和滑動(dòng)板，基板與抓捏部一體或固定連接，基板上設(shè)有自前至后延伸的滑槽，滑動(dòng)板的后半部是與所述滑槽相匹配的滑塊，滑塊處于滑槽中并與滑槽作滑動(dòng)配合；所述電極導(dǎo)電片安裝在一個(gè)所述滑動(dòng)板的前半部上。本實(shí)用新型夾板的夾持部的長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，使電極夾的大小與受檢測(cè)者肢體的粗細(xì)相適應(yīng)，因而電極夾夾持力合適，既能使電極導(dǎo)電片能與肢體皮膚接觸良好，準(zhǔn)確診斷心臟電活動(dòng)，又能防止檢測(cè)過(guò)程中電極夾脫落，并且使受檢測(cè)者沒(méi)有不適的感覺(jué)。3.2.2 模擬放大和濾波電路心電信號(hào)調(diào)理的結(jié)構(gòu)框圖如圖3

31、.6所示。對(duì)由心電傳感器采集到的心電信號(hào)，先通過(guò)前置放大電路，將微弱的心電信號(hào)高保真放大，并通過(guò)低通濾波、高通濾波，進(jìn)一步放大，最后進(jìn)行50Hz陷波電路濾除工頻干擾，再被數(shù)據(jù)采集卡采集。圖3.6 心電信號(hào)調(diào)理部分的結(jié)構(gòu)框圖 1、前置放大電路的設(shè)計(jì)由于心電信號(hào)十分微弱，幅度約為10V5mV，而且因人而異，一般需要700倍左右的放大增益，使信號(hào)達(dá)V量級(jí)，要實(shí)現(xiàn)這700倍的增益，單靠一級(jí)儀表放大器往往是不夠的，并且前置放大增益不能太大，否則，將出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，因此將放大增益做如下分配：前置放大器增益為7至10倍，輸出級(jí)放大器為100倍左右。在心電信號(hào)的采集和處理過(guò)程中，由于人體心電信號(hào)的特點(diǎn)，加上背景

32、噪聲較強(qiáng)，采集信號(hào)時(shí)電極夾與皮膚間的阻抗大且變化范圍也較大，因此，前置放大電路設(shè)計(jì)是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵部分，因?yàn)樗粌H能夠提取有用的心電信號(hào)，同時(shí)要將干擾信號(hào)降低到最低水平。這就對(duì)前級(jí)(第一級(jí))放大電路提出了較高的要求，即要求前級(jí)放大電路應(yīng)滿足以下要求。（1）高輸入阻抗；（2）高共模抑制比7；（3）低噪聲、低漂移，（4）非線性度??；（5）合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍。為此，選用Analog公司的儀用放大器AD620作為前置放大(預(yù)放)。AD620的核心是三運(yùn)放電路(相當(dāng)于集成了三個(gè)OP07運(yùn)放)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。圖3.7 AD620生物醫(yī)學(xué)放大囂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖AD620是美國(guó)Analog公

33、司設(shè)計(jì)的一款低價(jià)格、低功耗、高精度的儀表放大器，使用方便，它的主要性能參數(shù)如下：（1）電源電壓范圍為2.3V18V；（2）放大增益為10時(shí)，其共模抑制比大于100dB；（3）線性誤差最大值為40ppm；（4）最大供電電流僅為1.3mA；（5）最大輸入偏置電流為1.0nA；（6）失調(diào)電壓最大值為50V；（7）失調(diào)漂移最大值為0.69V/；（8）增益范圍：11000。另外，AD620還具有低噪聲，低輸入偏置電流和低功耗等特點(diǎn)，所以它非常適合應(yīng)用于醫(yī)療儀器。總之，AD620是性能超過(guò)自制的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)儀表放大器，而且它體積小，只有8個(gè)管腳。它的管腳圖如圖3.8所示。圖3.8 AD620的管腳圖其中1腳

34、和8腳接電阻網(wǎng)絡(luò)來(lái)調(diào)整放大倍率，2腳為反向輸入端，3腳為正向輸入端，4腳接負(fù)電源，5腳為接地，6腳為輸出，7腳接正電源。為了把混雜于原始心電信號(hào)中的共模噪聲提取出來(lái)，增加了右腳浮置跟蹤驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)一級(jí)倒向放大后，再返回到人體，使它們相互疊加，從而減小人體共模干擾的絕對(duì)值，提高信噪比，本電路采用常用運(yùn)放放大器OP07。同時(shí)，盡管大部分噪聲以共模形式存在于人體，但由于元器件不可能完全對(duì)稱，而且電路板存在一些分布參數(shù)結(jié)果使少部分以共模形式存在的干擾噪聲以差模信號(hào)的方式進(jìn)入放大器，而放大器對(duì)差模信號(hào)的放大能力很強(qiáng)，最終導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生畸變。因此，本電路還采用了屏蔽層驅(qū)動(dòng)電路用共模電壓本身驅(qū)動(dòng)屏蔽層給予中和以

35、便將跨接在其上的共模波動(dòng)減小到零。放大器同樣采用高精度運(yùn)算放大器OP07。綜合上述的分析和設(shè)計(jì)，前置放大電路如圖3.9所示。圖3.9 前置放大電路圖根據(jù)AD620的增益計(jì)算公式和電路的設(shè)計(jì)可得本電路的電壓增益為： (3.4)并用電路仿真軟件Multisim進(jìn)行仿真。（1）采用單端輸入方式仿真AD620的輸入由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波模擬，正輸入端接信號(hào)發(fā)生器的正端，負(fù)輸入端接信號(hào)發(fā)生器的地線，并連接到電路的地線。右腳驅(qū)動(dòng)和屏蔽層驅(qū)動(dòng)均接電路的地線。信號(hào)發(fā)生器的參數(shù)如圖3.10所示。圖3.10 單端輸入的輸入?yún)?shù)用示波器觀察到的波形如圖3.11所示。（a）輸入信號(hào) （b）輸出信號(hào)圖3.11 單端輸

36、入的仿真波形顯示圖3.11（a）中示波器XSC1中的縱坐標(biāo)量程為20mV，示波器XSC2中的縱坐標(biāo)量程為100mV。由上圖中的波形得，輸出信號(hào)的幅值約為輸入信號(hào)的幅值的7倍，而且，相位沒(méi)發(fā)生變化，與理論計(jì)算符合。在實(shí)際電路中，AD620和OP07采用統(tǒng)一的8V穩(wěn)壓電源供電，信號(hào)發(fā)生器按照以上仿真的接法給電路輸入信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器的頻率調(diào)到100Hz左右，峰峰值為1.30V，用示波器觀察到輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率一致，峰峰值為9.80V左右，約為輸入信號(hào)的8倍，如圖3.12所示。由此可得該部分的電路設(shè)計(jì)在誤差范圍內(nèi)是可行的。圖3.12 單端輸入的實(shí)物波形顯示（2）采用差分輸入方式仿真AD62

37、0的輸入由兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波模擬，信號(hào)發(fā)生器1、2的輸出端分別接AD620的正輸入端和負(fù)輸入端，地線接到電路的地線。分以下三種情況進(jìn)行仿真。同頻率、同幅度輸入，正負(fù)端所接的信號(hào)發(fā)生器的參數(shù)分別如圖3.13的（a）、（b）所示。 （a）正輸入端 （b）負(fù)輸入端圖3.13 差分輸入的輸入?yún)?shù)當(dāng)正負(fù)端輸入的信號(hào)頻率和幅值完全相同時(shí)，疊加的結(jié)果輸出為零。用示波器觀察到的波形如圖3.14所示。（a）輸入信號(hào) （b）輸出信號(hào)圖3.14 差分輸入的波形顯示不同頻率、同幅度輸入，正負(fù)端所接的信號(hào)發(fā)生器的參數(shù)分別如圖3.15的（a）、（b）所示。 （a）正輸入端 （b）負(fù)輸入端圖3.15 差分輸入的輸入

38、參數(shù)當(dāng)正負(fù)端接不同頻率、相同幅度的輸入信號(hào)時(shí)，用示波器觀察到的波形如圖3.16所示。（a）輸入信號(hào) （b）輸出信號(hào)圖3.16 差分輸入的波形顯示同頻率、不同幅度輸入，正負(fù)端所接的信號(hào)發(fā)生器的參數(shù)分別如圖3.17的（a）、（b）所示。 （a）正輸入端 （b）負(fù)輸入端圖3.17 差分輸入的輸入?yún)?shù)（a）輸入信號(hào) （b）輸出信號(hào)圖3.18 差分輸入的波形顯示當(dāng)正負(fù)端接不同幅度、相同頻率的輸入信號(hào)時(shí)，用示波器觀察到的波形如圖3.18所示。綜上所述，該放大電路設(shè)計(jì)合理。利用電路設(shè)計(jì)與制版軟件Protel8畫(huà)原理圖，生成PCB并經(jīng)過(guò)焊接，實(shí)際制作出來(lái)的實(shí)物圖如圖3.19所示。圖3.19 心電部分前置放大電

39、路的實(shí)物圖2、濾波器的設(shè)計(jì)由于心電的頻率在0.05Hz到100Hz，所以電路需要設(shè)計(jì)濾波器除去該段頻率以外的噪聲頻率，濾波電路主要由低通濾波器和高通濾波器組成。（1）低通濾波器的設(shè)計(jì)低通濾波器采用歸一化設(shè)計(jì)的Butterworth四階低通濾波，截止頻率為100 Hz，在頻率轉(zhuǎn)折處有足夠的陡度，避免高頻信號(hào)的干擾?？紤]到元件的誤差。設(shè)定截至頻率為110Hz。Butterworth四階低通濾波由兩個(gè)參數(shù)一致的二階濾波器串聯(lián)構(gòu)成，圖3.20所示是二階典型低通濾波器。圖3.20 二階典型低通濾波器由于本系統(tǒng)需要的截止頻率為110Hz，在參考典型低通濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程需求，選取Cl=C2=82

40、nF，R1=R2=18K，R3=100K,，R4=56K。運(yùn)放放大器選用了常用的放大器OP07。圖3.21 低通濾波電路圖本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的低通濾波電路是由兩級(jí)的二階濾波器組成，實(shí)際的電路如圖3.21所示。根據(jù)電路的設(shè)計(jì)可知，電路的電壓增益為： (3.5)低通截止頻率為： (3.6) 用電路仿真軟件Multisim進(jìn)行仿真.其波特圖如圖3.22所示。圖3.22低通濾波仿真波特圖由圖3.22可得，在截止頻率出現(xiàn)在133 Hz處，在誤差范圍內(nèi)符合要求。在實(shí)際電路中， OP07采用統(tǒng)一的8V穩(wěn)壓電源供電，信號(hào)發(fā)生器的正端輸出接信號(hào)輸入端，負(fù)端即地線跟電路的地相連，頻率調(diào)節(jié)為110Hz，峰峰值為1.26V。

41、用示波器觀察輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的波形，實(shí)際波形如圖3.23（a）所示，衰減的效果不是很明顯；當(dāng)頻率改為150Hz時(shí)，實(shí)際波形如圖3.23（b）所示，波形有了較大的衰減。（a）（b）圖3.23 低通濾波電路的實(shí)際波形圖（2）高通濾波器的設(shè)計(jì)在電路部分加上簡(jiǎn)單的高通濾波環(huán)節(jié)，對(duì)隔斷直流通路和消除基線漂移將會(huì)起到事半功倍的效果，經(jīng)過(guò)高通濾波后，可以大大削弱0.05Hz以下因呼吸等引起的基線漂移程度，心電信號(hào)低頻端也就相應(yīng)地取該頻率。圖3.24高通濾波電路圖本部分電路置于預(yù)放大與主放大電路之間，一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源高通濾波電路如圖3.24所示。該高通濾波的低頻截止頻率為： (3.7)用電路仿真軟件Multi

42、sim進(jìn)行仿真.其波特圖如圖3.25所示。圖3.25 高通濾波仿真波特圖由上圖可得，在截止頻率出現(xiàn)在48m Hz處，在誤差范圍內(nèi)符合要求。由于實(shí)驗(yàn)室的信號(hào)發(fā)生器無(wú)法調(diào)到mHz級(jí)信號(hào)輸出，所以沒(méi)有對(duì)該部分分解出來(lái)做實(shí)際的調(diào)試。3、主放大電路設(shè)計(jì)主放大電路的主要以提高增益為目的，選用常用的放大器OP07可以符合要求。其電路如圖3.26所示。圖3.26 主放大電路圖根據(jù)同相放大電路的原理可得該電路的閉環(huán)增益為： (3.8)調(diào)節(jié)電路中的的電阻值即可以改變?cè)鲆嬖撾娐返脑砗腕w溫部分的放大電路的原理一致，故在此不做仿真實(shí)驗(yàn)。4、50Hz陷波電路的設(shè)計(jì)雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用但部分工頻干

43、擾是以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi)加上電極夾和輸入回路不穩(wěn)定等因素經(jīng)過(guò)前面的前置放大，低、高通濾波和主放大電路后。輸出仍然存在較強(qiáng)的工頻干擾，所以必須專門濾除。采用一種基于RC雙T網(wǎng)絡(luò)的二階帶阻濾波器來(lái)濾除工頻干擾放大器采用運(yùn)算放大器OP07。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的50Hz工頻陷波電路如圖3.27所示9。圖3.27 50Hz陷波電路圖由上述條件以及電路圖的設(shè)計(jì)易得，陷波電路的參數(shù)如下。電壓增益： (3.9)截止頻率： (3.10) 用電路仿真軟件Multisim進(jìn)行仿真，其波特圖如圖3.28所示。由圖3.28可得，中心頻率出現(xiàn)在50Hz處，在誤差范圍內(nèi)符合要求。在實(shí)際電路中， O

44、P07采用統(tǒng)一的8V穩(wěn)壓電源供電，信號(hào)發(fā)生器的正端輸出接信號(hào)輸入端，負(fù)端即地線跟電路的地相連，頻率調(diào)節(jié)為50Hz，峰峰值為1.26V。用示波器觀察輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的波形，如圖3.29（a）所示，發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)的峰峰值比輸入信號(hào)的峰峰值小得多，當(dāng)頻率分別為20Hz和80Hz時(shí)，用示波器觀察輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的波形，分別如圖3.29（b）、（c）所示,波形沒(méi)有出現(xiàn)很大的衰減。所以由此可得，在截止頻率左右已經(jīng)起到較好的衰減作用，所以該部分的電路設(shè)計(jì)在誤差范圍內(nèi)，無(wú)論是理論還是實(shí)際都是可行的。 圖3.28 50Hz陷波波特圖（a）（b）（c）圖3.29 50Hz陷波電路的實(shí)際波形圖心電部分的模擬放大和

45、濾波電路的所有組成部分已經(jīng)在上面逐一介紹，并且用電路仿真軟件和實(shí)際電路進(jìn)行跟一部分的結(jié)果分析，各部分都基本符合要求，所以把上面的各部分按順序相連，即按照?qǐng)D3.6的順序相連，就得到心電部分整體的模擬放大和濾波電路。實(shí)際制作出來(lái)的實(shí)物如圖3.30所示。圖3.30 心電部分的整體實(shí)物圖3.3數(shù)據(jù)采集卡模塊根據(jù)本系統(tǒng)的要求和實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備條件，采用美國(guó)國(guó)家儀器有限公司（NI公司）的PCI-6024E型號(hào)的多功能數(shù)據(jù)采集卡及其配套的接線盒作為模擬電路與計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)通訊的橋梁。接線盒是數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)附件，上面有兩個(gè)輸入端接口和四個(gè)輸出端接口等等，本系統(tǒng)主要使用它的兩個(gè)輸入端接口，把體溫信號(hào)和心電信號(hào)分別

46、與之連接，并把兩部分的地線連接。接線盒與數(shù)據(jù)采集卡之間采用專用的電纜連接，這樣就可以把模擬的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并輸入到電腦，進(jìn)行下一步的分析和處理。下面主要介紹數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024E的功能以及結(jié)構(gòu)10。PCI-6024E是一種多功能數(shù)據(jù)采集卡，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.31所示，它的主要功能有：（1）12位A/D轉(zhuǎn)換器；（2）12位D/A轉(zhuǎn)換器；（3）16路單端接地的模擬輸入通道；（4）8位/24位并行輸入輸出線（5V/TTL）；（5）兩路24位定時(shí)器和計(jì)數(shù)器；（6）支持DMA方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷采集與存儲(chǔ)；（7）在雙極性時(shí)，輸入電壓選擇有100mV、1V、10V和20V

47、量程范圍；（8）最高采樣頻率為200kbit/S。圖3.31 PCI-6024E的結(jié)構(gòu)框圖PCI-6024E一共有68根管腳，其管腳圖如圖3.32所示。圖3.32 PCI-6024E的管腳圖根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備，本系統(tǒng)采用的DAQ信號(hào)附件接線盒的實(shí)物圖如圖3.33所示。該附件有以下幾個(gè)部分組成。（1）模擬溫度傳感器；（2）函數(shù)發(fā)生器；（3）用于數(shù)字測(cè)試的LED指示燈；（4）兩路模擬信號(hào)的輸入；（5）兩路模擬信號(hào)的輸出；在本系統(tǒng)中，用到的功能是模擬信號(hào)的輸入，即把采集到的體溫新還和心電信號(hào)和地線分別連接到模擬輸入的兩個(gè)端口和接地端。再經(jīng)過(guò)PCI插槽專用排線把接線盒和采集卡連接起來(lái)，這樣就實(shí)現(xiàn)了把模擬

48、信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)的功能，為后續(xù)的軟件處理做好了必要的條件。圖3.33 接線盒實(shí)物圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件平臺(tái)的介紹本系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能是基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)。虛擬儀器利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)顯示、分析和處理等功能，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器價(jià)格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能虛擬儀器廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、 化學(xué)工業(yè)、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。在此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和自身的技術(shù)水平，選用美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI公司）推出

49、的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品Labview作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Labview是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，類似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是Labview與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而Labview使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，它由前面板和程序面板組成，前面板用于設(shè)計(jì)人機(jī)界面，程序面板用來(lái)編寫程序。Labview是目前發(fā)展最快、功能最強(qiáng)大的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在科技的各個(gè)領(lǐng)域。Labview能成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，得益于它的兩個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)：一是編程簡(jiǎn)單，形象生動(dòng)，易于理解和掌握；另一方面，Labvi

50、ew針對(duì)數(shù)據(jù)采集、儀器控制、信號(hào)分析和處理等任務(wù)，提供的節(jié)點(diǎn)（函數(shù)）對(duì)底層協(xié)議進(jìn)行了高度封裝，用戶只需直接調(diào)用即可，大大提高了開(kāi)發(fā)效率11。Labview的兩大基本功能是DAQ數(shù)據(jù)采集和儀器控制。DAQ數(shù)據(jù)采集是Labview的核心技術(shù)之一，也是Labview與其他編程語(yǔ)言相比的優(yōu)勢(shì)所在，甚至可以認(rèn)為，DAQ數(shù)據(jù)采集是Labview最大的功能。也是本系統(tǒng)選用該軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的一主要原因。4.2軟件實(shí)現(xiàn)的功能根據(jù)本系統(tǒng)的要求，軟件實(shí)現(xiàn)的功能主要有：（1）信號(hào)的采集；（2）脈搏信號(hào)的提??；（3）信號(hào)的數(shù)值顯示和波形顯示；（4）信號(hào)的保存和回放；（5）體溫和脈搏信號(hào)的時(shí)域特征分析；（6）心電信號(hào)的

51、時(shí)域分析和頻域分析；4.3軟件的設(shè)計(jì)針對(duì)上述所需要的系統(tǒng)功能，本節(jié)主要介紹用戶程序的設(shè)計(jì)。4.3.1信號(hào)的采集根據(jù)本系統(tǒng)的要求，只有兩路輸入，所以采用DAQ助手對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集12。DAQ助手是建立在DAQmxAPI之上的一個(gè)基于步驟的向?qū)?，它擁有一個(gè)交互式的圖形界面，無(wú)需編程就能夠一步一步地進(jìn)行測(cè)量任務(wù)、采集通道、信號(hào)自定義換算等配置，使用很方便。圖標(biāo)如圖4.1所示。圖4.1 DAQ助手的圖標(biāo)分別在“采樣率”和“采樣數(shù)”端口創(chuàng)建“輸入控件”即可以前面板隨時(shí)改變采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，由于本系統(tǒng)只有體溫信號(hào)和心電信號(hào)，而且體溫信號(hào)變化比較緩慢，所以在設(shè)定采樣率時(shí)主要考慮心電信號(hào)的頻率，而心電信號(hào)的波

52、形的細(xì)節(jié)部分頻率約500Hz，所以由香農(nóng)定理，采樣頻率至少為1kHz，但是在實(shí)際的工業(yè)中，采樣頻率應(yīng)為實(shí)際信號(hào)頻率的4到10倍，故系統(tǒng)的默認(rèn)采樣頻率為5kHz。采樣到的信號(hào)由“數(shù)據(jù)”端口輸出。雙擊圖標(biāo)，將會(huì)彈出如圖4.2所示的窗口，可進(jìn)行物理通道的相關(guān)設(shè)置以及采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置。例如本系統(tǒng)只用到兩個(gè)電壓輸入借口，所以在“通道設(shè)置：項(xiàng)增加兩個(gè)電壓輸入即可。圖4.2 DAQ助手設(shè)置窗口采樣到的信號(hào)由“數(shù)據(jù)”連接端輸出，由于采樣到的信號(hào)包括體溫信號(hào)和心電信號(hào)，所以要對(duì)著兩種信號(hào)組成的混合信號(hào)進(jìn)行拆分，“拆分函數(shù)”的圖標(biāo)如圖4.3所示。圖4.3 “拆分信號(hào)“函數(shù)的圖標(biāo)經(jīng)過(guò)“拆分函數(shù)”拆分出來(lái)的信

53、號(hào)（即體溫信號(hào)和心電信號(hào)）均屬于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)類型，所以需要經(jīng)過(guò)“從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”函數(shù)，其圖標(biāo)如圖4.4所示。圖4.4 “從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”函數(shù)的圖標(biāo)左端輸入的是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)設(shè)置，有段輸出可以是單一標(biāo)量、一維數(shù)組、二維數(shù)組、波形數(shù)組等等類型。本系統(tǒng)中用它來(lái)實(shí)現(xiàn)把信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成單一標(biāo)量。4.3.2脈搏信號(hào)的提取根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，沒(méi)有使用脈搏傳感器直接從人體上采集脈搏信號(hào)，而是從心電信號(hào)中提取，由于上面已經(jīng)把信號(hào)進(jìn)行拆分，而且轉(zhuǎn)換成單一標(biāo)量，現(xiàn)在用一設(shè)定的數(shù)值（例如0.8），去和心電信號(hào)的每一個(gè)單一標(biāo)量進(jìn)行比較，一旦標(biāo)量中出現(xiàn)大于閾值的數(shù)，一初始值為零的中間變量就進(jìn)行加1運(yùn)算，一分鐘之后，把中間變量

54、的結(jié)果顯示出來(lái)，這個(gè)結(jié)果就是這一分鐘之內(nèi)脈搏的跳動(dòng)次數(shù)，同時(shí)中間變量重新從零開(kāi)始，統(tǒng)計(jì)下一分鐘脈搏的跳動(dòng)次數(shù)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的提取。4.3.3信號(hào)的數(shù)值顯示和波形顯示本系統(tǒng)主要顯示的信號(hào)有三種，包括體溫信號(hào)和脈搏信號(hào)的數(shù)值顯示和心電信號(hào)的波形顯示，以及各種信號(hào)歷史數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域的分析結(jié)果的數(shù)值顯示或波形顯示。其中信號(hào)的時(shí)域和頻域的分析的分析見(jiàn)4.3.5和4.3.6小節(jié)。其中體溫用Labview自帶的“溫度計(jì)“顯示控件和其附帶的數(shù)值同步顯示。在顯示之前增加了電壓?jiǎn)挝恢翜囟葐挝坏臉?biāo)度變換，同時(shí)，體溫的顯示增加了華氏度與攝氏度模式的轉(zhuǎn)換功能，攝氏溫度（C）和華氏溫度（F）之間的換算關(guān)系為：

55、 (4.1)或 (4.2) 脈搏信號(hào)直接采用“數(shù)值顯示控件“進(jìn)行顯示。而心電信號(hào)則選用”波形圖“顯示，能夠?qū)崟r(shí)地顯示出心電圖。圖4.5 “獲取日期/時(shí)間（秒）”函數(shù)的圖標(biāo)函數(shù)的“當(dāng)前時(shí)間”端連接到“時(shí)間標(biāo)識(shí)顯示控件”的輸入端，再對(duì)“時(shí)間標(biāo)識(shí)顯示控件”的格式進(jìn)行合理的設(shè)置，便可以準(zhǔn)確地顯示當(dāng)前日期和時(shí)間。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)時(shí)間格式如圖4.6所示。圖4.6 時(shí)間格式4.3.4信號(hào)的保存與回放由于本系統(tǒng)需要保存的信號(hào)由三種，所以選用常見(jiàn)、方便的文本文件(.txt)來(lái)進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的回放，首先把三種信號(hào)組成的數(shù)組通過(guò)“數(shù)組至電子表格字符串”函數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為字符串類型，然后保存到文本文件中。為了方便后續(xù)數(shù)據(jù)的讀取以及進(jìn)行其他操作，故保存數(shù)據(jù)時(shí)采用按列保存的方式，即如圖4.7所示（圖中的數(shù)據(jù)只是模擬數(shù)據(jù)，沒(méi)有參考價(jià)值）。圖4.7 信號(hào)保存的方