基于labview和DAQ的神經(jīng)信號刺激器

1、燕山大學課程設計說明書題目基于labview的神經(jīng)信號發(fā)生器學院（系）：電氣工程學院年級專業(yè)：09級生物醫(yī)學工程1班學號：090103040046學生姓名：王京指導教師：蚩勇教師職稱：遨師燕山大學課程設計（論文）任務書學號090103040046學生姓名亠土口心工如、09級生物醫(yī)學王京專業(yè)（班級）工程1班設計題目基于labview的神經(jīng)信號發(fā)生器設計技術(shù)參數(shù)實現(xiàn)任意波形發(fā)生；可隨時改變輸出信號的參數(shù)。設計要求設計生物參數(shù)電刺激系統(tǒng)設計電路；用labview及pxi進行電路仿真；工作量學會使用labview軟件；獨立完成電路設計，并仿真；參加答辯并書寫任務書。工作計劃學習使用軟件labview，

2、選定設計方案；電路設計；電路設計；電路仿真、調(diào)試；答辯并書寫任務書。參考資料現(xiàn)代測控電路李剛主編高等教育出版社.實例講解Multisim10由路仿真.程勇.人民郵電出版社.生物醫(yī)學信號的處理與識別楊福生天津科技翻譯出版公司.指導教師簽字趙勇基層教學單位主任簽字李昕院（系）：電氣工程學院基層教學單位：生物醫(yī)學工程系2012年7月2日目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 1課題的主要任務22數(shù)據(jù)采集卡的選擇4 HYPERLINK l bookmark10 2.1數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標4 HYPERLINK l bookmark12 2.2數(shù)據(jù)采集卡的組成52

3、.3PXI625153系統(tǒng)總體的設計及實現(xiàn)63.1系統(tǒng)框架和設計流程63.2系統(tǒng)設計8 HYPERLINK l bookmark24 3.3系統(tǒng)具體應用程序83.4程序框圖的具體設計步驟16 HYPERLINK l bookmark56 3.5基本波形信號發(fā)生器18 HYPERLINK l bookmark58 3.6硬件連接調(diào)試20 HYPERLINK l bookmark60 3.7整體程序的具體實現(xiàn)21結(jié)論23 HYPERLINK l bookmark62 參考文獻24引言2002年.(Nature)雜志報道了美國紐約州立大學醫(yī)學中心Chapin教授將電極植入大鼠的不同腦區(qū).并給予適當?shù)?/p>

4、刺激.使實驗動物可按照人所設想的一定路線行走【鋤。2004年，美國波士頓大學Atema教授將電極植入鯊魚大腦，利用植入鯊魚體內(nèi)的微型芯片。操控它在水中游動的方向。2006年.山東科技大學將8根微電極植入鴿子的腦中插上刺激發(fā)生器?？墒锅澴訉崿F(xiàn)起飛、盤旋、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進等動作。2007年。浙江大學將電極植人大鼠腦醫(yī)升給r適當?shù)拇碳ず途殞崿F(xiàn)了對大鼠的遙控導o1.課題的主要任務通過labview模擬生成刺激信號控制動物的活動，通過刺激和觀察。研究神經(jīng)刺激對動物的調(diào)控信號源的波形有正弦波、方波、三角波、鋸齒波等不同種類。信號的頻率、幅值和占空比等波形參數(shù)可按需要進行調(diào)節(jié)。本設計以數(shù)據(jù)采集卡的物理通道進

5、行設計，從LABVIEW設計的程序中產(chǎn)生的模擬（數(shù)字）輸入，經(jīng)過信號調(diào)節(jié)后，由數(shù)據(jù)采集卡采集并輸出信號。基于DAQ的任意波形發(fā)生器信號發(fā)生器作為科學實驗必不可少的裝置，被廣泛地應用到教學、科研等各個領域。高等學校特別是理工科的教學、科研需要大量的儀器設備，例如信號源、示波器等，常用儀器都必須配置多套，但是有些儀器設備價格昂貴，如果按照傳統(tǒng)模式新建或者改造實驗室投資巨大，造成許多學校儀器設備缺乏或過時陳舊，嚴重影響教學科研。如果運用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)，代替常規(guī)儀器、儀表，不但可以滿足實驗教學的需要、節(jié)約大量的經(jīng)費、降低實驗室建設的成本，而且能夠提高教學科研的質(zhì)量與效率。隨著現(xiàn)代電子、計算機和信

6、號處理等技術(shù)的發(fā)展，極大促進了數(shù)字化技術(shù)在電子測量儀器中的應用，使原有的模擬信號處理逐步被數(shù)字信號處理所代替，從而擴充了儀器信號的處理能力，提高了信號測量的準確度、精度和變換速度，克服了模擬信號處理的諸多缺點，數(shù)字信號發(fā)生器隨之發(fā)展起來。其基本原理如圖1.1所示。鍵盤顯示I/Or-H-丄心片控制D/A轉(zhuǎn)換電路控制波形發(fā)生信電路號輸出1信號采集圖1.1信號發(fā)生器基本原理框圖信號發(fā)生器的應用非常廣泛，種類繁多。首先，信號發(fā)生器可以分通用和專用兩大類，專用信號發(fā)生器主要為了某種特殊的測量目的而研制的,如電視信號發(fā)生器、脈沖編碼信號發(fā)生器等，這種發(fā)生器的特性是受測量對象的要求所制約的。其次，信號發(fā)生器

7、按輸出波形又可分為正弦波信號發(fā)生器、脈沖波信號發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器和任意波發(fā)生器等。再次，按其產(chǎn)生頻率的方法又可分為諧振法和合成法兩種。一般傳統(tǒng)的信號發(fā)生器都采用諧振法，即用具有頻率選擇性的回路來產(chǎn)生正弦振蕩，來獲得所需頻率。2數(shù)據(jù)采集卡的選擇數(shù)據(jù)采集板卡的性能與眾多因素相關，要根據(jù)具體情況來具體分析。所以在選擇數(shù)據(jù)米集卡構(gòu)成系統(tǒng)時，首先必須對數(shù)據(jù)米集卡的性能指標有所了解。2.1數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標1）米樣頻率采樣頻率的高低，決定了在一定時間內(nèi)獲取原始信號信息的多少，為了能夠較好的再現(xiàn)原始信號，不產(chǎn)生波形失真，采樣率必須要足夠高才行。根據(jù)奈奎斯特理論采樣頻率至少是原信號的兩倍，但實際中，一般

8、都需要510倍。2）采樣方法采集卡通常都有好幾個數(shù)據(jù)通道，如果所有的數(shù)據(jù)通道都輪流使用同一個放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，要比每個通道單獨使用各自的經(jīng)濟的多，但這僅適用于對時間不是很重要的場合。如果采樣系統(tǒng)對時間要求嚴格，則必須同時采集，這就需要每個通道都有自己的放大和A/D轉(zhuǎn)換器。但是處于成本的考慮，現(xiàn)在普遍流行的是各個數(shù)據(jù)通道公用一套放大器和A/D轉(zhuǎn)換TO方器。3）分辨率ADC的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的電壓就越小。4）電壓動態(tài)范圍電壓范圍指ADC能掃描到的最高和最低電壓。一般最好能夠使進入采集卡的電壓范圍剛好與其符合，以便利用其可靠的分辨率范圍。5）I/O通道數(shù)該參數(shù)表明了數(shù)據(jù)采集卡所能夠

9、采集的最多的信號路數(shù)。2.2數(shù)據(jù)采集卡的組成1）多路開關。將各路信號輪流切換至放大器的輸入端，實現(xiàn)多參數(shù)多路信號的分時采集。2）放大器。將切換進入采集卡的信號放大至需要的量程內(nèi)。通常的放大器都是增益可調(diào)的，使用者可根據(jù)需要來選擇不同的增益倍數(shù)。3）采樣保持器。把采集到的信號瞬間值保持在A/D轉(zhuǎn)換的過程中不變化。4）A/D轉(zhuǎn)換器。將模擬的輸入信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，完成信號幅值的量化。2.3PXI-6251多功能數(shù)據(jù)采集卡NIPXI-6251是NI公司M系列的高速多功能數(shù)據(jù)采集卡其，具有16路16位模擬輸入（8路差分或16路單端輸入），但通道采樣率最大可達1.25MS/S，多通道可達1.00MS/

10、s。2路16位模擬輸出（2.8MS/s）24條數(shù)字線，32位計數(shù)器。與NI-DAQ驅(qū)動無縫結(jié)合，保證了實時信號不間斷采集存儲和傳輸。FN肛旳NALINSTRUMiNTi圖3.3系統(tǒng)總體的設計3.1程序框圖的設計流程用LABVIEW設計虛擬信號發(fā)生器的主要步驟是在設計程序框圖上,圖4.1是設計程序框圖的主要流程。創(chuàng)建通道選擇連續(xù)采樣指定釆樣率指定釆樣數(shù)寫入采樣開始等待生成所有釆樣停止清除圖4.1程序框圖的設計流程3.2系統(tǒng)設計設計信號發(fā)生器的主要任務是設計程序框圖和前面板，在設計這兩部分中若沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)類型不匹配、控件的屬性設置等問題，再跟硬件連接,看是否可以產(chǎn)生各種信號，并且能被數(shù)字示波器采集

11、到，并在硬件允許的范圍內(nèi)體現(xiàn)比現(xiàn)有信號發(fā)生器更寬泛的信號范圍。3.3系統(tǒng)具體應用程序按系統(tǒng)的總體要求，設計一個可產(chǎn)生任意波形的程序。圖4.2為波形產(chǎn)生程序。ryn訶一?恤1fArray|11Dq圖4.2波形產(chǎn)生程序左邊一個大的while循環(huán)，里面套一個條件結(jié)構(gòu)。其主要的功能就是創(chuàng)建任意設計的波形，并將它在前面板中顯示出來。右邊是一個平鋪的順序結(jié)構(gòu)，這是在你想要停止運行的程序，并對已建立的波形進行保存的時候,所執(zhí)行的部分。F面先介紹一下任意波形發(fā)生器的主要原理:-、前面板框圖1、創(chuàng)建波形顯示區(qū)域-蹲存W爲：漆茲奄:;5芳龐繆S裁霸應瑟錢近期塢粽;食噬證i-iIIIIIIII00.00050.00

12、10.00150.0020.00250.0030.00350.004JSMJCad圖一3、波形創(chuàng)建面板STOPRESET蝕nal|IntegrationWAVEFORMMODEClearData圖三程序框圖1、主程序II.Mainloop3-畫WAVEFORMMODEIntegrationdataGraph*YScale.MaximumYScale.MinimumsetgraphlirYScale,MaximumYScale.Minimum圖四左邊一個大的while循環(huán)，里面套一個條件結(jié)構(gòu)。其主要的功能就是倉U建任意設計的波形，并將它在前面板中顯示出來。右邊是一個平鋪的順序結(jié)構(gòu)，這是在你想要停

13、止運行的程序，并對已建立的波形進行保存的時候,所執(zhí)行的部分。下面詳細介紹各部分的功能：首次運行時，我們選擇的是分支0如下圖：El.Mainloop3；CZ3dataGraph尹PhYScale.MaximumYScale.MinimumYScale.MinimurnE010IntegrstionsWaveformGraphA.dt10.0011-WAVEFORMMODEIntegration圖五上圖左下角紅圈所示的是一個簇，對應于前面板上就是左圖所示的部分：Waveformmode所對應的是一個下拉列表控件，點擊綠色下拉箭頭，會出現(xiàn)cleardata,create,loaddata三項選擇，它

14、們分別對應數(shù)字0丄2。程序開始時，系統(tǒng)默認在cleardata，所以解除捆綁后，對應的就是數(shù)字0,從而選擇了分支0。分支0中又套了一個條件結(jié)構(gòu)，分真、假兩個分支。表明是否第一次調(diào)用子VI或部分程序框圖。只有在齡調(diào)用？:T/F按下運行按鈕后第一次調(diào)用時,該函數(shù)才返回TRUE。當?shù)谝淮芜\行時，條件分支選擇“真”分支，彈出對話框，如下圖所示：圖六點擊ok后，便可運行此程序了。由于分支0的作用就是cleardata,所以在分支0中還有一個對加載的波形進行清零的部分。就是下圖中綠圈圈出的部分：圖七而上圖紅色圈出的的部分是一個選項卡，當我們在前面板選擇cleardata和loaddata時，前面板顯示的是

15、波形顯示控件（如圖二），選擇create是，顯示的是波形創(chuàng)建面板（如圖三）。當我們選擇create時，執(zhí)行分支1,程序框圖如下圖所示：WAVEFORMSELECTRESETfsignalGreat已WaveformrayCustom41Hi|hi具予i1WArray款NO*bjJIWAVEFORMMODEdataGraph回.J圖八圖中黃圈圈出的部分是一個簇，對應于前面板上的波形創(chuàng)建面板（如圖三）。但按下圖三左上角的RESET鍵時，選擇“真”分支，則將這個簇中的所有內(nèi)容清零或復位，然后輸出到藍色圈部分，如果沒有按下RESET鍵時，則直接將這個簇里的內(nèi)容輸出到藍色圈部分。2、子vi倉U建波形該藍

16、色圈是一個創(chuàng)建波形的子程序，程序框圖如下圖所示：resetfsiqnalNJSINETimemsj*一dataF21dataOjdatal一o11011-0一一-EnablemodeTimemsFriequencyHzAmplitudeVPhaseFormulaCreatewavformJfT-1L、1+U由1OutputArray圖九左邊藍色圈的部分，就是主程序中輸入子vi的簇的內(nèi)容，對它按名稱解除捆綁，Enable是一個布爾量，作為分支結(jié)構(gòu)的條件選擇輸入，當前面板中Enable對應的小燈點亮時，則選擇了“真”分支，分支中黃色圈圈出的部分是一個字符串的屬性節(jié)點對應于下圖中mode下面紅色的下

17、拉列表控件。它包含LINE,SINE,SQUARE,TRIANGLE,SAWTOOTH,FORMULA,NONE七項，分別對應于數(shù)字0,1,2,3,4,5,6。圖十當我們選擇不同波形是，分別對應選擇了后面這個分支結(jié)構(gòu)的不同分支，使它運用labview自帶的波形發(fā)生的功能函數(shù)產(chǎn)生相應的波形，這里就不詳細說怎么產(chǎn)生的了。3、子vi創(chuàng)建直線由于labview中沒有專門產(chǎn)生直線的函數(shù)，所以程序中還自己設計了一個子vi以產(chǎn)生需要的直線波形。這個子vi對應于圖九中綠色圈圈出的部分，在這之前我們對簇里的時間、開始值、截止值，按名稱解除捆綁，并將截止值與開始值做差后與時間、0捆綁后輸入綠色圈圈出的產(chǎn)生直線的子

18、vi中，其程序框圖如下圖所示：7132Linedata-H峠圖十一最左邊這個簇就是剛輸入的截止值與開始值的差與時間、0捆綁后的簇，對它按名稱解除捆綁，PointB等于截止值與開始值的差，PointA等于0，ms就等于輸入的時間的值。PointB減去PointA再除以時間得出的就是斜率，將時間類型轉(zhuǎn)換再輸給for循環(huán)的循環(huán)次數(shù)后，若以時間為橫軸，則經(jīng)過for循環(huán)相當于做了積分，即每隔相同時間縱軸上加上一次斜率（單位時間內(nèi)的縱軸值），最后通過for循環(huán)的自動索引功能將每一次的縱軸值都保存下來，組成一個相應的數(shù)組。然后跳出這個子vi,回到圖九所示的程序中。由于我們?nèi)我鈩?chuàng)建的直線不是都從原點出發(fā)的，而

19、我們應用前面的子vi創(chuàng)建的直線是從原點出發(fā)的，所以我們需要將直線平移，此時我們建立一條以開始值為縱軸值的平行于橫軸的直線，然后將它與子vi創(chuàng)建的直線進行疊加，就得到了我們需要的直線波形。其過程如下圖所示：MlCreatewavformarrayresetfsignalEnablemodeTimemsStrings卜mode(1StartVoltageVStopVoltageVJrFriequencyHzAmplitudeVPhaseFormulaerrorIN1Fs剤?zhí)飈T+1ltj2fOutputArrayerrorouta-o-11211一Timems土StopVoltageVdata2圖

20、十二該子vi運行完后，我們回到圖八所示的主程序框圖藍色圈所示輸出部分，波形創(chuàng)建完了，接下來是顯示部分。如下圖綠色圈所示部分：圖十三創(chuàng)建好的波形通過最大值最小值函數(shù)，來確波形顯示控件橫軸與縱軸波形顯示的范圍，這里使用了屬性節(jié)點的數(shù)據(jù)范圍屬性。圖十三中紫色圈所示的部分是波形集成的功能，即按倍數(shù)產(chǎn)生相同的幾個波形，前面板上是由左圖上邊的數(shù)值輸入控件進行控制的。當創(chuàng)建好需要的波形后可以通過按stop鍵進行保存。3.4程序框圖的具體設計步驟利用LABVIEW設計一個系統(tǒng)，其中的主要部分是程序框圖的設計，以下就是DAQ程序框圖設計的基本過程。1）創(chuàng)建虛擬通道，可以根據(jù)輸出的波形的類型來設置物理通道的性質(zhì),

21、并可以設置波形的一些基本參數(shù)。圖4.2是輸出基本波形的通道。Miniftiujti7=11115MimijiTiVainDfiilmxAJO電壓圖4.3基本波形虛擬通道2）設置基本波形的緩沖區(qū)和采樣時鐘，緩沖區(qū)中則可以對信號的頻率、幅值、采樣值、波形類型等進行設置，采樣時鐘設為模擬。本設計中的PWM波是基于計數(shù)器產(chǎn)生的，采樣時鐘則是設置成計數(shù)器（隱式）。時鐘采樣方式均設置為連續(xù)采樣。圖4.3是基本信號的時鐘。AmplitudelimumValue逹圧卜SamMaximumV|i*6L0-DesiPhysicalChannels|DB囁Ijlesp&rGuffejrlr-redFrequency

22、IH*ContinuousSamplesDliCLmxNumChansWaveformTypeDliQmx乘樣時祖-CyclesperBuffer圖4.4基本波形信號時鐘3）基本信號發(fā)生器需要先設置模擬信號的通道數(shù)及采樣數(shù)，然后運行。圖4.5基本信號波形運行4）運行后，需要不斷循環(huán)該程序，則在兩個程序后都添加循環(huán)程序,并可以根據(jù)用戶的需求隨時按下停止按鈕。在程序停止后，添上任務清除控件，若有錯誤產(chǎn)生，則在最后加上可以提示錯誤的錯誤對話框。具體程序如圖4.6所示。圖4.6循環(huán)及清除程序3.5基本波形信號發(fā)生器系統(tǒng)采用的是PXI6251采集卡，由于該卡支持DAQmx驅(qū)動程序，所以本設計是直接使用D

23、AQmx-DataAcquisition開發(fā)的。在這部分中，主要是采集參數(shù)的設置，其中包括物理通道的選擇，采樣模式、采樣率、每通道采樣數(shù)、每緩沖的循環(huán)次數(shù)的配置，采樣最大最小值、預設頻率、幅值、波形類型的設置。具體程序見圖4.7。圖4.7基本信號發(fā)生器程序在設計好程序之后，圖4.8是基本信號發(fā)生器程序所對應的前面板，分別顯示了波形參數(shù)，采樣參數(shù)，物理通道參數(shù)和輸出波形等控件，可以很方便地進行參數(shù)調(diào)節(jié)，物理通道修改和觀察輸出波形是否出現(xiàn)失真或噪聲。圖4.8基本信號發(fā)生器前面板3.6硬件連接調(diào)試在分別完成基本信號發(fā)生器和PWM波信號發(fā)生器的前面板和程序框圖后，需要與硬件連接，設置物理通道，然后運行

24、，看是否可以輸出符合實驗要求的波形。連接數(shù)據(jù)采集卡PXI6251到電腦上，在系統(tǒng)提示可以使用后，打開LABVIEW程序，按照實驗要求選擇合適的物理通道和合適的波形參數(shù)，開始運行，并用示波器采集信號，觀察是否有信號被采集到。在數(shù)字示波器采集到正確的波形后，說明該系統(tǒng)的設計是正確的。3.7整體程序的具體實現(xiàn)LABVIEW提供了非常豐富的圖形界面來進行前面板的設計，波形圖能非常清楚而且實時顯示虛擬信號發(fā)生器所產(chǎn)生的波形信號，所以將以上兩個程序的前面板組合在一起，并填充上顏色，使其更接近一個真實信號發(fā)生器的操作面板。圖4.11的前面板就是由兩個程序的前面板所組合成的。ARBITRARYWAVEFORM

25、FLTNCTIONGENERATOR13.048-wapn-ttdulv5-D-10-13.71T6-10-STOPRESETsignal0.00050.0010.00150.00350.00400.00Z0.0025TimeSecI血SET(ENA模式L一時間mslbtart口Stop幅值V頻率.Hz相位L一FORMULAL圖4.11總程序前面板結(jié)論本設計在研究虛擬儀器技術(shù)、DAQ應用技術(shù)的基礎上，使用虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)了信號發(fā)生器。前面板應提供良好的人機交互界面，可以實現(xiàn)實驗室里幾種常見的信號波形。本設計大部分工作是程序的編寫，所涉及的硬件部分都是現(xiàn)成的。但是對硬件的了解也是必需要做的工作，特別是對PXI6251采集卡的了解，其中包括采集率，采集通道，采樣方式等，然后根據(jù)實際情況選擇合適的參數(shù)。如果在這個設計上進一步研究信號發(fā)生器，在波形的類型上應該有更多的變化，更迅速的響應時間，更準確的調(diào)節(jié)過程。對于信號波形的參數(shù),如頻率、幅值、相位、占空比等的設定有更好更精確的方式，而且在波形失