畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于LabVIEW的心電信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)（心電信號(hào)采集）

1、1 緒論由于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅猛, 且具有眾多廠商的軟硬件支持, 使其在各領(lǐng)域的應(yīng)用得到了長(zhǎng)足的發(fā)展, 同時(shí)也促進(jìn)了圖形開(kāi)發(fā)軟件包和圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境的迅速普及【2】。虛擬儀器是計(jì)算機(jī)硬件資源、儀器與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件資源和虛擬儀器軟件資源三者的有效結(jié)合。在虛擬儀器的圖形軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)研究方面, 最有代表性的是labview虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)【3】。labview 是一種基于圖形化語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)、調(diào)試、運(yùn)行的集成化虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它針對(duì)測(cè)試系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的需要將數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、輸出和遠(yuǎn)程傳輸?shù)纫恍┏Ｓ玫墓δ苣K化, 通過(guò)對(duì)程序模塊的調(diào)用, 提高了模塊的復(fù)用度和軟件的開(kāi)發(fā)效率【4】。 labview是一種

2、面向?qū)ο蟮膱D形化編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境，本文對(duì)其在醫(yī)學(xué)心電信號(hào)采集與處理中的應(yīng)用將做出具體介紹。由于心電信號(hào)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(jiǎn)單的數(shù)據(jù)，尚不能直觀的看出心電信號(hào)的心率大小等信息。因此，本次設(shè)計(jì)的目的是開(kāi)發(fā)一套基于labview的心電信號(hào)測(cè)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(guó)際上，并不是一個(gè)新的課題，前人已有過(guò)研究。但是他們采用的計(jì)算方法都比較復(fù)雜。所以，在延續(xù)已有的研究方案上，本人想設(shè)計(jì)出一套更為簡(jiǎn)單、便捷的測(cè)試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)方法均是在插入式信號(hào)采集卡daq的硬件支持下，利用labview編程軟件，設(shè)計(jì)一套多通道

3、心電信號(hào)采集測(cè)試系統(tǒng)。使用模擬心電信號(hào)發(fā)生器，將心電信號(hào)進(jìn)行調(diào)試和放大處理，然后輸入daq數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，最終在電腦上通過(guò)labview編程軟件的界面，顯示出連續(xù)的，完整的心電信號(hào)。通過(guò)對(duì)labview的編程，使電腦能顯示出心率大小，信號(hào)采集次數(shù)和信號(hào)采集頻率的信息。與已有的方案相比，本次設(shè)計(jì)的不同之處就在于如何對(duì)labview進(jìn)行編程【5】。本人的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是信號(hào)的采集部分，對(duì)于種種設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題，和細(xì)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(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說(shuō)這種結(jié)合有兩

4、種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類(lèi)儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)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(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能，虛擬儀器主要是指這種方式。下面的框圖（1）反映了常見(jiàn)的虛擬儀器方案。圖（1） 常見(jiàn)的虛擬儀器組建方案虛擬儀器的主要特點(diǎn)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(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)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(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)

5、采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó)ni公司的labview。虛擬儀器的起源可以追朔到20世紀(jì)70年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在國(guó)防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。pc機(jī)出現(xiàn)以后，儀器級(jí)的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)上推出了labview2.0以前的版本。對(duì)虛擬儀器和labview長(zhǎng)期、系統(tǒng)、有效的研究開(kāi)發(fā)使得該公司成為業(yè)界公認(rèn)的權(quán)威【6】。3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的。它是計(jì)算機(jī)與外部

6、物理世界連接的橋梁。各種類(lèi)型信號(hào)采集的難易程度差別很大。實(shí)際采集時(shí)，噪聲也可能帶來(lái)一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時(shí)，有一些基本原理要注意，還有更多的實(shí)際的問(wèn)題要解決。在通用微機(jī)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。31 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成圖（2） 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上圖表示了數(shù)據(jù)采集的結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集之前，程序?qū)?duì)采集板卡初始化，板卡上和內(nèi)存中的buffer是數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的中間環(huán)節(jié)。需要注意的兩個(gè)問(wèn)題是：是否使用buffer？是否使用外觸發(fā)啟動(dòng)、停止或同步一個(gè)操作。311 緩沖（buffers）這里的緩沖指的是pc內(nèi)存的一個(gè)區(qū)域（不是數(shù)據(jù)采集卡上的fifo緩沖）

7、，它用來(lái)臨時(shí)存放數(shù)據(jù)。例如，你需要采集每秒采集幾千個(gè)數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)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(chǔ)起來(lái)，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(guān)。如果你的卡有dma性能，模擬輸入操作就有一個(gè)通向計(jì)算機(jī)內(nèi)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(jì)算機(jī)的內(nèi)存。不使用buffer意味著對(duì)所采集的每一個(gè)數(shù)據(jù)你都必須及時(shí)處理（圖形化、分析等），因?yàn)檫@里沒(méi)有一個(gè)場(chǎng)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(diǎn)。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(guò)了實(shí)際顯示、存儲(chǔ)

8、到硬件，或?qū)崟r(shí)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(shí)分析或顯示某些數(shù)據(jù)。 采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻地通過(guò)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(gè)通道之一采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。 需要縮減存儲(chǔ)器的開(kāi)支。312 觸發(fā)（triggering）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(gè)數(shù)字或模擬信號(hào)，其狀態(tài)可確定動(dòng)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(dòng)/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(shí)間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進(jìn)一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)。當(dāng)某一模入通

9、道發(fā)生一個(gè)指定的電壓電平時(shí)，讓卡輸出一個(gè)數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。采集卡等待一個(gè)外部?jī)x器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來(lái)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(duì)所有采集操作有明確的控制，并且 事件定時(shí)不需要非常準(zhǔn)確。下列情況使用硬件觸發(fā)： 采集事件定時(shí)需要非常準(zhǔn)確。 用戶需要削減軟件開(kāi)支。 采集事件需要與外部裝置同步。32 數(shù)據(jù)采集(daq)卡321 daq數(shù)據(jù)采集卡簡(jiǎn)介labview的數(shù)據(jù)采集（data acquisition）程序庫(kù)包括了許多ni公司數(shù)據(jù)采集（daq）卡的驅(qū)動(dòng)控

10、制程序。通常，一塊卡可以完成多種功能 - 模/數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)/模轉(zhuǎn)換，數(shù)字量輸入/輸出，以及計(jì)數(shù)器/定時(shí)器操作等。用戶在使用之前必須daq卡的硬件進(jìn)行配置。這些控制程序用到了許多低層的daq驅(qū)動(dòng)程序。本課程需要一塊安裝好的daq卡以及l(fā)abview開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)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(wù)是物理信號(hào)的產(chǎn)生或測(cè)量。但是要使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠測(cè)量物理信號(hào)，必須要使用傳感器把物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓或者電流信號(hào)）。有時(shí)不能把被測(cè)信號(hào)直接連接到daq卡，而必須使用信號(hào)調(diào)理輔助電路，先將信號(hào)進(jìn)行一定的處理。總之，數(shù)據(jù)采集是借助軟件來(lái)控制整個(gè)daq系統(tǒng)包括采

11、集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、給出結(jié)果等。 上圖中描述了插入式daq卡。另一種方式是外接式daq系統(tǒng)。這樣，就不需要在計(jì)算機(jī)內(nèi)部插槽中插入板卡，這時(shí)，計(jì)算機(jī)與daq系統(tǒng)之間的通訊可以采用各種不同的總線，如并行口或者pcmcia等完成。這種結(jié)構(gòu)適用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。 當(dāng)采用daq卡測(cè)量模擬信號(hào)時(shí)，必須考慮下列因素：輸入模式（單端輸入或者差分輸入）、分辨率、輸入范圍、采樣速率，精度和噪聲等。 單端輸入以一個(gè)共同接地點(diǎn)為參考點(diǎn)。這種方式適用于輸入信號(hào)為高電平（大于一伏），信號(hào)源與采集端之間的距離較短（小于15英尺），并且所有輸入信號(hào)有一個(gè)公共接地端。如果不能滿足上述條件，則需要使用差分輸入。差分輸入

12、方式下，每個(gè)輸入可以有不同的接地參考點(diǎn)。并且，由于消除了共模噪聲的誤差，所以差分輸入的精度較高。322數(shù)據(jù)采集卡的功能一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字i/o、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等，這些功能分別由相應(yīng)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們使用的是ni公司生產(chǎn)的pci6221型號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡，它具有如下功能特點(diǎn)： 分辨率：16-bit, 采樣率：250 ks/s, 16 路模擬輸入 兩路 16-位模擬輸出 （833 ks/s） 24 路數(shù)字 i/o; 32-位計(jì)數(shù)器; 數(shù)字觸發(fā) 相關(guān)的 dio （8 時(shí)鐘, 1 mhz） ni-mcal 校準(zhǔn)支持 ni-daqmx 測(cè)試軟件和硬件配置程序支持 nist

13、- 校準(zhǔn)證書(shū)和多余70種的信號(hào)調(diào)理模塊選擇 ni pxi-6221 （16-通道, 24 路數(shù)字i/o, 2 路模擬輸出）模擬輸入是采集最基本的功能。它一般由多路開(kāi)關(guān)（mux）、放大器、采樣保持電路以及a/d來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)這些部分，一個(gè)模擬信號(hào)就可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。a/d的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的質(zhì)量，要根據(jù)實(shí)際需要的精度來(lái)選擇合適的a/d。 模擬輸出通常是為采集系統(tǒng)提供激勵(lì)。輸出信號(hào)受數(shù)模轉(zhuǎn)換器（d/a）的建立時(shí)間、轉(zhuǎn)換率、分辨率等因素影響。建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值改變的快慢。建立時(shí)間短、轉(zhuǎn)換率高的d/a可以提供一個(gè)較高頻率的信號(hào)。如果用d/a的輸出信號(hào)去驅(qū)動(dòng)一個(gè)加熱器，就不需

14、要使用速度很快的d/a，因?yàn)榧訜崞鞅旧砭筒荒芎芸斓馗欕妷鹤兓?。?yīng)該根據(jù)實(shí)際需要選擇d/a的參數(shù)指標(biāo)。 數(shù)字i/o通常用來(lái)控制過(guò)程、產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)、與外設(shè)通信等。它的重要參數(shù)包括：數(shù)字口路數(shù)（line）、接收 (發(fā)送 )率、驅(qū)動(dòng)能力等。如果輸出去驅(qū)動(dòng)電機(jī)、燈、開(kāi)關(guān)型加熱器等用電器，就不必用較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率。路數(shù)要能同控制對(duì)象配合，而且需要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動(dòng)電流。但加上合適的數(shù)字信號(hào)調(diào)理設(shè)備，仍可以用采集卡輸出的低電流的ttl電平信號(hào)去監(jiān)控高電壓、大電流的工業(yè)設(shè)備。數(shù)字i/o常見(jiàn)的應(yīng)用是在計(jì)算機(jī)和外設(shè)如打印機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀等之間傳送數(shù)據(jù)。另外一些數(shù)字口為了同步通信的需要還有“握手”線。

15、路數(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率、“握手”能力都是應(yīng)理解的重要參數(shù)，應(yīng)依據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合而選擇有合適參數(shù)的數(shù)字i/o。 許多場(chǎng)合都要用到計(jì)數(shù)器，如定時(shí)、產(chǎn)生方波等。計(jì)數(shù)器包括三個(gè)重要信號(hào)：門(mén)限信號(hào)、計(jì)數(shù)信號(hào)、輸出。門(mén)限信號(hào)實(shí)際上是觸發(fā)信號(hào)使計(jì)數(shù)器工作或不工作；計(jì)數(shù)信號(hào)也即信號(hào)源，它提供了計(jì)數(shù)器操作的時(shí)間基準(zhǔn)；輸出是在輸出線上產(chǎn)生脈沖或方波。計(jì)數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率，高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)，時(shí)鐘頻率決定了計(jì)數(shù)的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)速度就越快。323 數(shù)據(jù)采集卡的軟件配置一般說(shuō)來(lái)，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動(dòng)程序，該程序控制采集卡的硬件操作，當(dāng)然這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序是由采集卡的供應(yīng)商提供，用戶一般無(wú)

16、須通過(guò)低層才能與采集卡硬件打交道。ni公司還提供了一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡的配置工具軟件measurement & automation explorer ,它可以配置ni公司的軟件和硬件，比如執(zhí)行系統(tǒng)測(cè)試和診斷、增加新通道和虛擬通道、設(shè)置測(cè)量系統(tǒng)的方式、察看所連接的設(shè)備等。4 labview的簡(jiǎn)介labview 是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境（laboratory virtual instrument engineering workbench）的簡(jiǎn)稱，是美國(guó)ni公司推出的一種非常優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮膱D形化編程語(yǔ)言，是一個(gè)開(kāi)放型的開(kāi)發(fā)環(huán)境。它使用圖標(biāo)代替文本代碼來(lái)創(chuàng)建應(yīng)用程序，擁有大量與其它應(yīng)用程序通信的vi

17、庫(kù)。例如labview 使用自動(dòng)化activex、dde 和sql，可與其它windows 應(yīng)用程序集成；使用datasocket 技術(shù)、web server、tcp/ip 和udp 網(wǎng)絡(luò)vis，與遠(yuǎn)程應(yīng)用程序通信。在對(duì)硬件的支持方面，labview 集成了與gpib、vxi、pxi、rs-232/485、plc和插入式數(shù)字采集設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的全部功能。在labview 下開(kāi)發(fā)的程序稱為虛擬儀器vi（virtual instrument），因?yàn)槠渫庑魏筒僮骺梢阅M實(shí)際的儀器。在對(duì)各種算法的支持方面，labview 的工具箱非常有限，這就限制了大型應(yīng)用程序的快速開(kāi)發(fā)。labview 是虛擬儀

18、器的圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是直觀的前面板與流程圖式的編程方法的結(jié)合，是簡(jiǎn)化了而更易于使用的、基于圖形化的語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境，labview 編程語(yǔ)言的核心是圖形化編程語(yǔ)言（g 語(yǔ)言），它類(lèi)似于許多高級(jí)編程語(yǔ)言，也是一種多用途編程語(yǔ)言，不過(guò)它不是用語(yǔ)句來(lái)描述，而是用圖形來(lái)描述。通過(guò)類(lèi)似于傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，使用者可以清楚地看見(jiàn)數(shù)據(jù)在程序中流動(dòng)，使程序調(diào)試更加方便。labview 采用了所見(jiàn)即所得的可視化技術(shù)來(lái)建立人機(jī)界面，在測(cè)控領(lǐng)域，labview 提供了現(xiàn)成的各種對(duì)象，方便用戶將各種控制對(duì)象用作自己的對(duì)象，并易于更改。labview 提供了很多現(xiàn)成的可供調(diào)用的函數(shù)庫(kù)，從底層的gpib 、vxi 、pxi

19、、串口數(shù)據(jù)采集板的控制子程序到大量的儀器驅(qū)動(dòng)程序；從基本的功能函數(shù)到高級(jí)分析庫(kù)，幾乎涵蓋了儀器設(shè)計(jì)中需要的所有函數(shù)；同時(shí)，labview 還支持用于網(wǎng)絡(luò)通訊的tcp/ip 協(xié)議、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（dde ）和網(wǎng)絡(luò)化多媒體對(duì)象技術(shù)（activex）等應(yīng)用軟件標(biāo)準(zhǔn)。labview 支持多種系統(tǒng)平臺(tái)，在windowsnt/3.1/9x/2000、sunstar、hp、power macintosh等多種系統(tǒng)平臺(tái)上，nt公司都提供了相應(yīng)版本的軟件。各平臺(tái)之間開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序還可以直接進(jìn)行移植。labview 還提供了動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（dll ）接口和代碼接口節(jié)點(diǎn)（cin），使用戶在labview 平臺(tái)上能調(diào)用其他

20、軟件平臺(tái)編譯的模塊，如matlab1、vc+ 2 等，提供對(duì)對(duì)象鏈接和嵌入（ole）的支持。labview 平臺(tái)支持先進(jìn)、靈活、強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)分析功能，自身帶有波形測(cè)量、信號(hào)監(jiān)測(cè)、波形發(fā)生和信號(hào)處理，它們提供了直流交流成分分析、振幅測(cè)量、脈沖測(cè)量、諧波畸變分析、信號(hào)提取等功能；同時(shí)還提供了高級(jí)數(shù)學(xué)分析庫(kù)?？梢詫?shí)現(xiàn)一維、二維可視化處理以及積分微分導(dǎo)數(shù)和曲線擬合的功能。因此在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，labview 設(shè)計(jì)的信號(hào)處理軟件可以作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或測(cè)試儀器系統(tǒng)的信號(hào)處理部分。labview 的強(qiáng)大功能歸因于它的層次化結(jié)構(gòu)，用戶可以把創(chuàng)建的vi 程序當(dāng)作子程序調(diào)用，調(diào)用的階數(shù)是無(wú)限的。這種層次結(jié)構(gòu)利

21、用了模塊化編程的概念，用戶可以把一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)分成許多簡(jiǎn)單的任務(wù)，再用許多子vi 來(lái)分別完成這些子任務(wù)，然后用一個(gè)總的vi 把這些子vi 結(jié)合起來(lái)，完成這項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。子程序可以獨(dú)立調(diào)試運(yùn)行，這樣，整個(gè)vi 調(diào)試起來(lái)相對(duì)的簡(jiǎn)便、快捷。41 labview應(yīng)用程序的構(gòu)成所有的labview應(yīng)用程序，即虛擬儀器（vi），它包括前面板（front panel）、流程圖（block diagram）以及圖標(biāo)/連結(jié)器(icon/connector)三部分。411 前面板前面板是圖形用戶界面，也就是vi的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類(lèi)對(duì)象，具體表現(xiàn)有開(kāi)關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控制（cont

22、rol）和顯示對(duì)象（indicator）。圖（2）所示為一個(gè)簡(jiǎn)單vi的隨機(jī)信號(hào)發(fā)生和顯示的前面板，上面有一個(gè)顯示對(duì)象，以曲線的方式顯示了所產(chǎn)生的一系列隨機(jī)數(shù)。還有一個(gè)控制對(duì)象開(kāi)關(guān)，可以啟動(dòng)和停止工作。顯然，并非簡(jiǎn)單地畫(huà)兩個(gè)控件就可以運(yùn)行，在前面板后還有一個(gè)與之配套的流程圖。控制對(duì)象(輸入)顯示對(duì)象(輸出)圖（4）隨機(jī)信號(hào)發(fā)生前面板前面板工具條：412 流程圖流程圖是提供vi的圖形化源程序界面。在流程圖中對(duì)vi編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件的連線端口，還有一些前面板上沒(méi)有，但編程必須有的器件，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。圖（3）是與圖（2）對(duì)應(yīng)的流程圖。

23、我們可以看到流程圖中包括了前面板上的開(kāi)關(guān)和隨機(jī)數(shù)顯示器的連線端口，還有一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的函數(shù)及程序的循環(huán)結(jié)構(gòu)。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器通過(guò)連線將產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)送到顯示控件，為了使它持續(xù)工作下去，設(shè)置了一個(gè)while loop循環(huán)，由開(kāi)關(guān)控制這一循環(huán)的結(jié)束。函數(shù)：隨機(jī)數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)：循環(huán)與前面板控件對(duì)應(yīng)的連線端子與前面板控件對(duì)應(yīng)的連線端子圖（5） 隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器流程圖框圖工具條：如果將vi與標(biāo)準(zhǔn)儀器相比較，那么前面板上的東西就是儀器面板上的東西，而流程圖上的東西相當(dāng)于儀器箱內(nèi)的東西。在許多情況下，使用vi可以仿真標(biāo)準(zhǔn)儀器，不僅在屏幕上出現(xiàn)一個(gè)惟妙惟肖的標(biāo)準(zhǔn)儀器面板，而且其功能也與標(biāo)準(zhǔn)儀器相差無(wú)幾。413 圖標(biāo)

24、/連接器vi具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個(gè)vi可以作為子程序，這里稱為子vi（subvi），可以被其他vi調(diào)用。42 labview的操作模板在labview的用戶界面上，應(yīng)特別注意它提供的操作模板，包括工具（tools）模板、控制（controls）模板和函數(shù)（functions）模板。這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。下面我們來(lái)大致瀏覽一下。421 工具模板（tools palette）該模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試vi程序的工具。如果該模板沒(méi)有出現(xiàn)，則可以在windows菜單下選擇show tools palette命令以顯示該模板。當(dāng)從模板內(nèi)選擇了任一種工具后，鼠標(biāo)箭頭就會(huì)變

25、成該工具相應(yīng)的形狀。當(dāng)從windows菜單下選擇了show help window功能后，把工具模板內(nèi)選定的任一種工具光標(biāo)放在流程圖程序的子程序（sub vi）或圖標(biāo)上，就會(huì)顯示相應(yīng)的幫助信息。下述工具中注意和的區(qū)別，用于編程時(shí)，用于運(yùn)行程序時(shí)。是一個(gè)特有的工具，它并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的畫(huà)線工具，而是一個(gè)符合labview語(yǔ)言規(guī)定的對(duì)象連接工具。圖（6） 工具模板表1 各工具圖標(biāo)的名稱和作用圖標(biāo)名稱功能operate value（操作值）用于操作前面板的控制和顯示。使用它向數(shù)字或字符串控制中鍵入值時(shí)，工具會(huì)變成標(biāo)簽工具position/size/select （選擇）用于選擇、移動(dòng)或改變對(duì)象的大小。

26、當(dāng)它用于改變對(duì)象的連框大小時(shí)，會(huì)變成相應(yīng)形狀。edit text（編輯文本）用于輸入標(biāo)簽文本或者創(chuàng)建自由標(biāo)簽。當(dāng)創(chuàng)建自由標(biāo)簽時(shí)它會(huì)變成相應(yīng)形狀。connect wire（連線）用于在流程圖程序上連接對(duì)象。如果聯(lián)機(jī)幫助的窗口被打開(kāi)時(shí)，把該工具放在任一條連線上，就會(huì)顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型。object shortcut menu（對(duì)象菜單）用鼠標(biāo)左鍵可以彈出對(duì)象的彈出式菜單。scroll windows（窗口漫游）使用該工具就可以不需要使用滾動(dòng)條而在窗口中漫游。set/clear breakpoint（斷點(diǎn)設(shè)置清除）使用該工具在vi的流程圖對(duì)象上設(shè)置斷點(diǎn)。表1 續(xù)表：各工具圖標(biāo)的名稱和作用下面的兩個(gè)模

27、板是多層的，其中每一個(gè)子模板下還包括多個(gè)對(duì)象。422 控制模板（control palette）注意：只有打開(kāi)前面板時(shí)才能調(diào)用該模板該模板用來(lái)給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對(duì)象和輸入控制對(duì)象。每個(gè)圖標(biāo)代表一類(lèi)子模板。如果控制模板不顯示，可以用windows菜單的show controls palette功能打開(kāi)它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控制模板?？刂颇０迦鐖D（5）所示，它包括如下所示的一些子模板。子模板中包括的對(duì)象，我們?cè)诠δ苤杏梦淖趾?jiǎn)要介紹。 圖（7） 控制模板表2 各控制子的名稱和作用圖標(biāo)子模板名稱功 能numeric（數(shù)值量）數(shù)值的控制和顯示。包含數(shù)字式、指針式顯示

28、表盤(pán)及各種輸入框。boolean（布爾量）邏輯數(shù)值的控制和顯示。包含各種布爾開(kāi)關(guān)、按鈕以及指示燈等。string & path（字符串和路徑）字符串和路徑的控制和顯示。表2 續(xù)表：各控制子的名稱和作用423 功能模板(functions palette) 注：只有打開(kāi)了流程圖程序窗口，才能出現(xiàn)功能模板。功能模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具。該模板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示一個(gè)子模板。若功能模板不出現(xiàn)，則可以用windows菜單下的show functions palette功能打開(kāi)它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出功能模板【7】。功能模板如圖（8）所示，其子模塊如表3所示。（個(gè)別不常

29、用的子模塊未包含） 圖（8） 功能模板表3 各功能子模板的名稱和功能圖標(biāo)子模板名稱功能structure（結(jié)構(gòu)）包括程序控制結(jié)構(gòu)命令，例如循環(huán)控制等，以及全局變量和局部變量。numeric（數(shù)值運(yùn)算）包括各種常用的數(shù)值運(yùn)算，還包括數(shù)制轉(zhuǎn)換、三角函數(shù)、對(duì)數(shù)、復(fù)數(shù)等運(yùn)算，以及各種數(shù)值常數(shù)。boolean（布爾運(yùn)算）包括各種邏輯運(yùn)算符以及布爾常數(shù)。string（字符串運(yùn)算）包含各種字符串操作函數(shù)、數(shù)值與字符串之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及字符(串)常數(shù)等。array（數(shù)組）包括數(shù)組運(yùn)算函數(shù)、數(shù)組轉(zhuǎn)換函數(shù)，以及常數(shù)數(shù)組等。cluster（簇）包括簇的處理函數(shù)，以及群常數(shù)等。這里的群相當(dāng)于c語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)。comp

30、arison（比較）包括各種比較運(yùn)算函數(shù)，如大于、小于、等于。time & dialog（時(shí)間和對(duì)話框）包括對(duì)話框窗口、時(shí)間和出錯(cuò)處理函數(shù)等。file i/o（文件輸入/輸出）包括處理文件輸入/輸出的程序和函數(shù)。data acquisition（數(shù)據(jù)采集）包括數(shù)據(jù)采集硬件的驅(qū)動(dòng)，以及信號(hào)調(diào)理所需的各種功能模塊。waveform（波形）各種波形處理工具analyze（分析）信號(hào)發(fā)生、時(shí)域及頻域分析功能模塊及數(shù)學(xué)工具 。instrument i/o（儀器輸入/輸出）包括gpib(488、488.2)、串行、vxi儀器控制的程序和函數(shù)，以及visa的操作功能函數(shù)。motion & vision（運(yùn)動(dòng)

31、與景像）mathematics（數(shù)學(xué)）包括統(tǒng)計(jì)、曲線擬合、公式框節(jié)點(diǎn)等功能模塊，以及數(shù)值微分、積分等數(shù)值計(jì)算工具模塊。communication（通訊）包括tcp、dde、activex和ole等功能的處理模塊。application control（應(yīng)用控制）包括動(dòng)態(tài)調(diào)用vi、標(biāo)準(zhǔn)可執(zhí)行程序的功能函數(shù)。graphics & sound（圖形與聲音）包括3d、opengl、聲音播放等功能模塊。包括調(diào)用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)和cin節(jié)點(diǎn)等功能的處理模塊。tutorial（示教課程）包括labview示教程序。report generation（文檔生成）advanced（高級(jí)功能）select a vi（選

32、擇子vi）user library（用戶子vi庫(kù)）5 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)51 基于labview的心電信號(hào)采集與處理 利用labview 進(jìn)行生理信號(hào)采集和處理，一般要結(jié)合硬件采集卡，labview 提供了大量的數(shù)據(jù)采集子程序，但是這些子程序只支持ni公司的數(shù)據(jù)采集卡和其他少數(shù)公司開(kāi)發(fā)的支持labview 平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集卡，因此最簡(jiǎn)單直接的方式是使用ni公司的數(shù)據(jù)采集卡（daq ），但是成本較高【8】。在基于labview 的心電信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，本人就使用了ni 公司的相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行心電信號(hào)的采集。利用labview 圖形化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的超強(qiáng)能力和daq數(shù)據(jù)采集板，建立了一種新的心電信號(hào)采集、顯示和

33、分析方法，使傳統(tǒng)的心電圖機(jī)成為一個(gè)智能化的心電信號(hào)采集和分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳統(tǒng)的心電圖機(jī)將心電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由daq卡進(jìn)行ad 轉(zhuǎn)換，將信號(hào)以數(shù)字形式采集到計(jì)算機(jī)，交給由labview 設(shè)計(jì)的軟件進(jìn)行分析和處理。由于所采用的daq 是多通道，所以該系統(tǒng)可以同時(shí)處理多導(dǎo)心電信號(hào)【9、10】。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)最實(shí)用的方式是自己設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集卡，然后通過(guò)串行通信、并行通信、usb 等接口的方式與上位機(jī)進(jìn)行通信【11】。本系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，如圖（9）所示：圖（9） 系統(tǒng)的構(gòu)成系統(tǒng)各部分的主要功能有：（1） 心電采集預(yù)處理電路該模塊為必要的硬件處理模塊，它通過(guò)前端電極，引入人體標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)，從

34、而對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行必要的放大和去除干擾，該模塊電路利用集成電路構(gòu)成的差動(dòng)輸入方式和右腿驅(qū)動(dòng)方式提高cmrr，利用光電隔離技術(shù)保證人體的安全性，輸入的心電信號(hào)通過(guò)放大可達(dá)到1.5.vp-p。（2） labjack接口卡該模塊是基于usb2.0串行口的多功能數(shù)據(jù)采集卡。它有8個(gè)模擬輸入端子可用于心電信號(hào)的輸入，每路輸入范圍在正負(fù)10v之間，分辨率為12bit，另外，它有多路數(shù)字信號(hào)輸入/輸出中斷，用于開(kāi)關(guān)量的控制和輸入。該模塊能用軟件和硬件定時(shí)捕捉，當(dāng)時(shí)軟件定時(shí)捕捉時(shí)，該模塊能以每通道200dot/s采樣速率進(jìn)行采集，它將已放大的模擬心電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并通過(guò)usb借口送入pc進(jìn)一步處理。（3）通

35、用微機(jī)系統(tǒng)該系統(tǒng)模塊主要利用美國(guó)national instrument corporation公司研制的虛擬儀器圖形編程軟件labview 7.0，在微機(jī)上編制應(yīng)用程序以實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示、分析、存儲(chǔ)、回放和輸入、輸出控制，主要完成對(duì)信號(hào)的數(shù)字濾波、r波提取、心率計(jì)算。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大信號(hào)處理能力實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的分析監(jiān)控功能【12】。52 實(shí)驗(yàn)原理講解實(shí)驗(yàn)程序框圖如圖（14）所示：圖（14）采集程序模型簡(jiǎn)單介紹一下各器件的功能如下：ai config vi 指定使用的采集卡和通道，并指定獲取的樣本數(shù)（number of scans to acquire ）。本設(shè)計(jì)中，該vi

36、在計(jì)算機(jī)中開(kāi)設(shè)大小為2500的緩存；ai start vi 啟動(dòng)一個(gè)每次50點(diǎn)，每秒250次的掃描，并將得到的數(shù)據(jù)放入緩存。ai read vi 從計(jì)算機(jī)的緩存中讀取50個(gè)點(diǎn)。ai clear vi 停止數(shù)據(jù)采集過(guò)程，并釋放緩存和板上的資源【15】。具體的實(shí)驗(yàn)程序圖（15）和前面板圖（16）如圖所示：圖（15）程序圖圖（16）前面板接下來(lái)，將對(duì)圖中的部分器件進(jìn)行詳細(xì)介紹。（1） 對(duì)應(yīng)前面板中的 ，功能為設(shè)置輸入的上下限。它是由兩個(gè)器件鑲嵌而成的。您可以在該數(shù)組控制器框中輸入您想設(shè)置的輸入極限。這樣每個(gè)輸入通道都被設(shè)置成您定義的輸入范圍。 （2） 對(duì)應(yīng)前面板中的 ，其功能是選擇輸入的設(shè)備號(hào)。這里

37、選擇的是設(shè)備1。（3） 對(duì)應(yīng)前面板中的 ，其功能是選擇輸入通道。我這里選擇的是通道0。您只能同時(shí)選擇一組通道。當(dāng)然，您可以根據(jù)自己具體的需要從下拉菜單中選擇合適的通道。該器件也是由兩個(gè)不同的器件經(jīng)過(guò)設(shè)置鑲嵌在一起的。（4） 對(duì)應(yīng)前面板中的 ， 其功能是選擇緩沖的寬度，這里的緩沖為2500。數(shù)據(jù)被寄存在這里，然后照原樣被輸出。 （5） 對(duì)應(yīng)前面板中的 ，其功能為選擇延遲時(shí)間。像這種器件，在軟件里是不能直接找到的，需要經(jīng)過(guò)一系列的設(shè)置。先要在前面板中找出一個(gè) 的器件，對(duì)應(yīng)程序圖中的 ，在該圖標(biāo)上右擊，選擇view as icon，再右擊選擇properties選項(xiàng)，修改它的屬性。選擇data ra

38、nge，在右側(cè)單擊dbl圖標(biāo)，選擇sgl。這樣，一個(gè)對(duì)應(yīng)的，完整的，正確的功能器件就設(shè)置好了。（6） 對(duì)應(yīng)前面板中的 ，其功能為選擇掃描頻率，這里選擇的是250次/秒?？梢愿鶕?jù)需要進(jìn)行修改。（7） 這兩塊其實(shí)是一個(gè)器件的多個(gè)屬性，對(duì)應(yīng)前面板的其功能是顯示輸出結(jié)果，并可以對(duì)輸出波形進(jìn)行修改，改變柵格顏色、寬度等。您可以在顯示波形的那個(gè)圖標(biāo)上右擊，選擇visible items選項(xiàng)，去掉選項(xiàng)里的一些子選項(xiàng)前的勾，來(lái)隱藏右邊的3個(gè)圖框。（8） 對(duì)應(yīng)前面板中的 ，其功能是顯示掃描的次數(shù)。該器件也是要經(jīng)過(guò)一系列的設(shè)置才最終成型的。方法與的設(shè)置雷同，在此就不重述了。（9） 對(duì)應(yīng)前面板中的 ，其功能是選擇輸

39、出圖形中您想要開(kāi)始的起點(diǎn)位置y坐標(biāo)。 （10） 對(duì)應(yīng)前面板中的 ，其功能是定義一個(gè)心電波形的掃描點(diǎn)的個(gè)數(shù)，這里為50個(gè)/次。 （11） 對(duì)應(yīng)前面板中的 ，其功能是控制程序的運(yùn)行進(jìn)程。大的控制器件就是這些，剩下的為一些參數(shù)設(shè)置，包括數(shù)組等參數(shù)。在程序執(zhí)行前，您可以單擊工具欄上的圖標(biāo)，它的功能是執(zhí)行點(diǎn)亮。單擊后，將變成 ，這時(shí)，您再執(zhí)行程序時(shí)，數(shù)據(jù)流就會(huì)像一個(gè)一個(gè)的點(diǎn)一樣，形象的從程序的開(kāi)始，流向結(jié)束。您可以清楚的看見(jiàn)這個(gè)程序執(zhí)行的過(guò)程。 為循環(huán)控制圈，主要功能為循環(huán)控制。在執(zhí)行循環(huán)控制前，有必要對(duì)x軸的標(biāo)度進(jìn)行設(shè)置，于是本人設(shè)置了 這樣一個(gè)控制器。它也是循環(huán)控制器里的一種，在這里它的功能就是對(duì)x

40、軸進(jìn)行設(shè)置。可以控制起點(diǎn)坐標(biāo)的位置。關(guān)于心率的計(jì)算，這里涉及到一些數(shù)組的概念和運(yùn)用，下面我簡(jiǎn)單的介紹一下有關(guān)的知識(shí)。 format value：字符串的格式轉(zhuǎn)換。 array size：array為任意維數(shù)的數(shù)組，size(s)返回各維的長(zhǎng)度。如果array為一維，則size(s)返回一個(gè)整數(shù)值；如果array為多維，則size(s)返回一維整型數(shù)組，每一個(gè)分量為一維的長(zhǎng)度。 index array：為索引數(shù)組元素，用于訪問(wèn)數(shù)組中的某個(gè)元素。索引數(shù)組n-dimension array為任意類(lèi)型的n維數(shù)組，接入此輸入?yún)?shù)后函數(shù)自動(dòng)生成n個(gè)索引輸入端子，這n個(gè)輸入端子作為一組，使用定位工具拖曳函數(shù)

41、的下邊沿可以增加新的輸入索引端子組，每組索引端子對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出端口。建立多組輸入端子時(shí)相當(dāng)于使用同一數(shù)組輸入?yún)?shù)，同時(shí)對(duì)該函數(shù)進(jìn)行多次調(diào)用。輸出端口element or snbarray返回索引值對(duì)應(yīng)的標(biāo)量和數(shù)組。 concatenate string：把幾個(gè)字符串連接起來(lái)組成一個(gè)字符串。 array to spreadsheet string：把數(shù)組轉(zhuǎn)換成電子表格格式的字符串。 initialize array：它的功能為創(chuàng)建n維數(shù)組，每一維長(zhǎng)度分別由dimension size 0n-1指定，創(chuàng)建之后每一個(gè)元素的值都與輸入?yún)?shù)element相同【16】。結(jié) 論經(jīng)過(guò)3個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，最終我完成了整

42、個(gè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)。但實(shí)驗(yàn)的過(guò)程是極為曲折的。在整個(gè)的實(shí)驗(yàn)中，從對(duì)課題的理解，對(duì)程序的設(shè)計(jì)，最后到對(duì)程序的調(diào)試，我都遇到了重重困難。由于以前沒(méi)有對(duì)labview軟件進(jìn)行過(guò)仔細(xì)的學(xué)習(xí)，也不了解該軟件的多種強(qiáng)大功能，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，常常因?yàn)橐粋€(gè)功能器件的選擇，就要花去大量的時(shí)間。即便是選對(duì)了器件，還要對(duì)其屬性進(jìn)行多項(xiàng)設(shè)置。礙于多種因素，實(shí)驗(yàn)進(jìn)展緩慢。但是，在輔導(dǎo)老師的幫助和提點(diǎn)下，對(duì)labview軟件進(jìn)行了深入的理解，一邊學(xué)習(xí)一邊設(shè)計(jì)。最終，功夫不負(fù)有心人，我在5月下旬，終于設(shè)計(jì)出一套基于labview的心電信號(hào)的采集測(cè)試系統(tǒng)，成功的完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。本次課程設(shè)計(jì)是用labview7.0軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集

43、的生理信號(hào)進(jìn)行分析和顯示；主要研究心電信號(hào)的檢測(cè)、采集和顯示；編寫(xiě)labview程序，對(duì)所采集的心電信號(hào)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)qrs波群并計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)心率的顯示。 本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用虛擬儀器技術(shù)，將傳統(tǒng)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中需要硬件電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，轉(zhuǎn)為由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，如儀器面板的顯示與控制、ecg中r波的檢測(cè)、不同導(dǎo)聯(lián)的選擇與控制等功能，不僅節(jié)約了成本、避免了重復(fù)維修產(chǎn)生的浪費(fèi)，而且由于labview具有強(qiáng)大的擴(kuò)展功能和通用功能模塊，便于今后監(jiān)護(hù)項(xiàng)目由心電擴(kuò)展至諸如血壓、呼吸、脈搏等多種生理內(nèi)容，監(jiān)護(hù)深度可以進(jìn)一步深入至更復(fù)雜的診斷和分析、系統(tǒng)化存檔和檢索、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。經(jīng)過(guò)這幾個(gè)月的訓(xùn)練，我想我具備了獨(dú)立運(yùn)用labview軟件進(jìn)行一些簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的能力。我的設(shè)計(jì)重點(diǎn)部分心電信號(hào)采集部分，得以成功完成。就整個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，美中不足的是，