基于-ad原理的心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于-ad原理的心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1新型同步心電圖采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)設(shè)計(jì)為12通道的高標(biāo)準(zhǔn)差動(dòng)器，并通過同步檢測和分析12個(gè)導(dǎo)致電阻動(dòng)聽器，以適應(yīng)國際心動(dòng)聽電氣的發(fā)展方向。這種新的檢測方法是：。該方法可降低目前存在的心電圖測量的變異性,提高各種測量、分析計(jì)算的準(zhǔn)確性。從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹了一種以微機(jī)為上位機(jī)的12導(dǎo)同步心電圖采集系統(tǒng),基于∑-ΔA/D原理的芯片MAX1401的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的性能,降低了成本,并且使系統(tǒng)小型化;采用VtoolsD開發(fā)VxD,降低了開發(fā)難度,提高了可靠性,ActivX控件中的數(shù)據(jù)差錯(cuò)校驗(yàn)也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)a/d轉(zhuǎn)換MAX1401芯片功能強(qiáng)大,通過單片IC實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能,可以直接處理心電傳感器(導(dǎo)聯(lián))輸出的微弱信號(hào),簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì),提高了系統(tǒng)的性能,可以實(shí)現(xiàn)心電檢測分析儀小型化,并且也降低了成本。它的A/D轉(zhuǎn)換功能是基于∑-Δ原理,可以獲得極高的分辨率。另外,心電信號(hào)采集系統(tǒng)必須采用浮地的形式,實(shí)現(xiàn)人體與電氣上的隔離,MAX1401是三線串行輸出,相對于并行輸出的A/D器件需要隔離的信號(hào)線少許多。12導(dǎo)聯(lián)的心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至少需要同步采集8導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)(其余4個(gè)導(dǎo)聯(lián)由Einthoven公式通過軟件計(jì)算推導(dǎo)出來),因此本系統(tǒng)需要2片MAX1401。數(shù)據(jù)采集電路通過微機(jī)EPP并行口與微機(jī)通訊,采用2片89C51單片機(jī)控制MAX1401及其與微機(jī)的通訊,FIFO(First-In,First-Out)存儲(chǔ)器緩存,提高了轉(zhuǎn)換速率?？傮w電路框圖如圖1所示。2.1增量調(diào)制siga-傳統(tǒng)傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器(積分型,逐次逼近型)分辨率不易做的很高,且系統(tǒng)相對復(fù)雜。新興的∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠以較低的成本獲得極高的分辨率。∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有一個(gè)增量調(diào)制器,常規(guī)A/D轉(zhuǎn)換器由于采用PCM調(diào)制(即根據(jù)抽樣幅值的大小,用一串二進(jìn)制數(shù)去表征),忽略了抽樣值之間的相關(guān)性。而增量調(diào)制把時(shí)間軸按照抽樣間隔Δt分成相應(yīng)的小段,并將縱軸分成許多相等的電壓間隔Δ,用階梯信號(hào)x1(t)來逼近輸入模擬信號(hào)x(t),如圖2所示。由于x(t)為連續(xù)信號(hào),只要Δt足夠小,就可能將x(t)與x1(t)的差值限制在Δ范圍內(nèi)。因此若把Δ作為量化臺(tái)階,則可以用一位碼來表征x1(t),即它升高一個(gè)Δ用1編碼,降低一個(gè)Δ用0編碼,為了使得x1(t)逼近x(t),采樣的頻率必須非常高,這種采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Nyquist的采樣稱為“過采樣”。為了改進(jìn)增量調(diào)制的高頻性能,通常將輸入信號(hào)x(t)積分后再進(jìn)行增量調(diào)制,也就是所謂的“總和增量調(diào)制器”(Sigma-deltaModulator)?！?Δ調(diào)制器對量化噪聲進(jìn)行了“成型濾波”,對信號(hào)表現(xiàn)為低通濾波,對噪聲表現(xiàn)為高通濾波,將A/D轉(zhuǎn)換器中的量化噪聲轉(zhuǎn)移到低頻帶以外,而后再通過數(shù)字低通抽取濾波器濾除高頻段的噪聲,提高了信噪比,同時(shí)數(shù)字低通抽取濾波器還將輸出的低比特率的高速碼流轉(zhuǎn)換為低速的高分辨率碼流。2.2特征分區(qū)的全差分模式x-1MAX1401的內(nèi)部功能如圖3所示。前端為一個(gè)多路復(fù)用器,用來切換采樣的通道;輸入緩沖器用來隔離信號(hào)源內(nèi)阻和后級(jí)電路輸入阻抗;程控增益放大器(PGA)將低電平輸入信號(hào)放大到適合A/D轉(zhuǎn)換的水平,依據(jù)所要求的輸入分辨率,每個(gè)通道能夠獨(dú)立的設(shè)定放大倍數(shù)(1～128倍);三個(gè)獨(dú)立的DAC校正三路輸入信號(hào)中的直流成分,使輸入信號(hào)落在ADC的量程以內(nèi),擴(kuò)大輸入信號(hào)的有效范圍。由多路開關(guān)選出的輸入信號(hào)經(jīng)緩沖(BUFFER)、放大(PGA)后送入∑-Δ調(diào)制器,進(jìn)行“過采樣”,將各樣本轉(zhuǎn)化為1bit分辨率的高速碼流。同時(shí)對量化噪聲頻譜作“成形”處理,使大部分量化噪聲轉(zhuǎn)移至基帶以外。接下來,由數(shù)字抽取濾波器濾除帶外噪聲,從高速碼流中抽取出低速高分辨率碼流。時(shí)鐘產(chǎn)生電路及分頻電路為ADC提供操作時(shí)鐘,內(nèi)部8個(gè)可單獨(dú)尋址的寄存器可以通過串行接口(SPI)接收控制命令,設(shè)置各部分電路的工作狀態(tài)及參數(shù),并將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過串行接口送出。MAX1401工作于全差分模式下時(shí),AIN1/AIN2、AIN3/AIN4、AIN5/AIN6提供了3個(gè)差分輸入通道,另外兩個(gè)偏移校正通道CALOFF+/CALOFF-和兩個(gè)增益校正通道CALGAIN+/CALGAIN-,也可以作為差分輸入通道,可用兩片MAX1401完成8個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集,AINA+、AINA-、AINB+、AINB-、AINC+、AINC-、BRC1、BRC2、BRC3、BRC4、BRC5、BRC6和BRLAC為經(jīng)過功能選擇開關(guān)和導(dǎo)聯(lián)緩沖電路后從人體引入的心電信號(hào),經(jīng)過MAX1401內(nèi)部的多路復(fù)用器選擇一路信號(hào)從MUX1+,MUX1-或MUX2+,MUX2-輸出,再經(jīng)過外部的放大電路形成單端的信號(hào)從AIN1+或AIN1-輸入到MAX1401內(nèi),經(jīng)過PGA放大和AD轉(zhuǎn)換后從DOUT串行輸出。+5V的浮地電源經(jīng)過HT1030三端穩(wěn)壓后輸出+3V的電源給MAX1401供電,經(jīng)過LM317后輸出+1.25V的電壓作為MAX1401的參考端(REFIN+)電壓,REFIN-端接地。2.3數(shù)據(jù)地址選擇十二導(dǎo)心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要保證有30KB/s的采樣速率,數(shù)據(jù)量較大,若采用中斷的方式通知微機(jī)讀取每個(gè)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)將大大增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),難以保證實(shí)時(shí)傳輸、顯示和處理,因此需添加一個(gè)外存儲(chǔ)器用來暫存采集的數(shù)據(jù)。EPP協(xié)議提供了兩個(gè)端口:數(shù)據(jù)端口和地址端口,在采用硬件握手的情況下,如果只對數(shù)據(jù)端口進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)讀寫,它的數(shù)據(jù)傳輸速率是很高的(一個(gè)讀周期可達(dá)級(jí)),但是如果用普通的存儲(chǔ)器(EPROM)進(jìn)行讀數(shù)據(jù)時(shí)需要進(jìn)行地址選擇,這樣端口的切換必然影響EPP的數(shù)據(jù)傳輸速率,另外受到并行口八位地址線的限制,若要擴(kuò)展地址空間,勢必增加軟件和硬件電路的復(fù)雜性。因此系統(tǒng)選用了FIFO存儲(chǔ)器來緩存數(shù)據(jù),這類存儲(chǔ)器內(nèi)部采用硬件完成讀、寫環(huán)行指針的移動(dòng),因此可以實(shí)現(xiàn)EPP協(xié)議下對于單數(shù)據(jù)地址的連續(xù)讀寫,另外采用FIFO,可以很方便地改變外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸速率,而不影響數(shù)據(jù)的高速傳輸。系統(tǒng)選用的FIFO存儲(chǔ)器是IDT7202。它具有1K×9位的存儲(chǔ)容量,可以進(jìn)行異步和并發(fā)的讀寫操作;提供了半滿、全滿和全空的標(biāo)志引腳,可以防止讀寫數(shù)據(jù)的溢出或不足;同時(shí)它還提供了擴(kuò)展邏輯電路,在字節(jié)的寬度和深度方面可以進(jìn)行無限制的級(jí)聯(lián);由于數(shù)據(jù)字節(jié)是9位寬,可以將第九位作為控制和奇偶校驗(yàn)位。2.4時(shí)帶片的a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取需要單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能較簡單,系統(tǒng)選用性價(jià)比比較高的89C51。若一塊單片機(jī)控制兩片MAX1401同時(shí)工作,兩片MAX1401的數(shù)據(jù)可能不能及時(shí)讀取,通道來不及切換,造成數(shù)據(jù)差錯(cuò),若讓兩片MAX1401分別輪流工作,雖然可以保證數(shù)據(jù)及時(shí)讀取,卻降低了每個(gè)通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出的速率。因此用兩塊89C51來分別控制兩片MAX1401,系統(tǒng)工作于同步十二導(dǎo)聯(lián)采樣模式時(shí)可以讓兩塊MAX1401同時(shí)工作,分別和單片機(jī)通訊,提高了每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換速率。兩片89C51的P0口和IDT7202的數(shù)據(jù)輸入口相連接,用于將接收到的由MAX1401采集轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)并行寫入FIFO,另外單片機(jī)通過光隔離電路控制MAX1401及系統(tǒng)的功能選擇信號(hào)。單片機(jī)的P2.1口和并行口的中斷通知信號(hào)ACKˉˉˉACΚˉ相連,當(dāng)單片機(jī)采集到一定數(shù)量的心電數(shù)據(jù)時(shí)通過ACKˉˉˉACΚˉ引腳信號(hào)通知計(jì)算機(jī)從FIFO連續(xù)讀取數(shù)據(jù)。單片機(jī)的P1口和EPP協(xié)議并行口的雙向數(shù)據(jù)總線相連同計(jì)算機(jī)通訊,用于接收計(jì)算機(jī)通過并行口傳來的控制命令信號(hào)。兩塊單片機(jī)的P3.7分別和另一單片機(jī)的中斷引腳INT1ˉˉˉˉˉˉˉˉˉΙΝΤ1ˉ相連,在工作于十二導(dǎo)模式時(shí)用來同步兩塊單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集過程。系統(tǒng)工作于同步十二導(dǎo)聯(lián)模式(一共有8個(gè)通道)時(shí),兩片單片機(jī)同時(shí)控制兩片MAX1401完成A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取和采樣通道的選擇。由于只有一個(gè)FIFO緩存數(shù)據(jù),為了避免兩片單片機(jī)在讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)后同時(shí)對FIFO進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作,需要同步兩片單片機(jī)的工作。為此,系統(tǒng)中引入兩個(gè)同步標(biāo)志位,任何時(shí)刻,兩片單片機(jī)都只能分別占用FIFO的寫數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入,不會(huì)沖突,同時(shí)也保證了8個(gè)通道采樣的順序進(jìn)行。3epp并行口驅(qū)動(dòng)軟件核心包括一個(gè)虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(VxD)和一個(gè)ActiveX控件,前者實(shí)現(xiàn)EPP并行口的中斷驅(qū)動(dòng),后者實(shí)現(xiàn)對硬件驅(qū)動(dòng)的調(diào)用及對采樣進(jìn)程的控制。3.1并行端口控制指標(biāo)當(dāng)緩沖器中存儲(chǔ)了一定的數(shù)據(jù)時(shí),以中斷方式通知微機(jī)讀取緩沖器中的數(shù)據(jù),這需要編寫專門的硬件驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。VtoolsD提供了VxD代碼生成器QuickVxD,類似于VC++的ClassWizard,利用VtoolsD封裝的C++類庫來快速創(chuàng)建VxD程序代碼框架,或利用其提供的C運(yùn)行庫,可以繞過DDK(DeviceDeveloperKit)用C或C++來編制驅(qū)動(dòng)程序,大大地降低了開發(fā)的難度,提高了可靠性。ActiveX控件通過調(diào)用API函數(shù)DeviceIoControl,由VMM(VirtualMachineManger)向并行端口驅(qū)動(dòng)程序VxD發(fā)送W32_DeviceIoControl消息,VxD的消息處理函數(shù)OnWin32DeviceIoControl響應(yīng)該消息,包括對并行端口寄存器的讀、寫控制消息,打開和關(guān)閉并行端口中斷的消息(EPP控制寄存器37AH的第四位為中斷使能控制位),讀取內(nèi)存中心電數(shù)據(jù)的消息,控制心電檢測系統(tǒng)的參數(shù)消息(包括了采樣通道數(shù)和每次中斷接收的數(shù)據(jù)長度)和WIN32程序采樣線程傳來的事件句柄消息,這些消息均需要在驅(qū)動(dòng)程序和WIN32程序中預(yù)先定義。當(dāng)心電檢測系統(tǒng)采集一定數(shù)量的數(shù)據(jù)時(shí)由單片機(jī)給EPP并行口送一個(gè)中斷脈沖信號(hào),在Windows系統(tǒng)下該中斷通知由VPICD(虛擬可編程中斷控制器)接收。VPICD收到中斷以后可以通知EPP的VxD中重載的中斷處理函數(shù)處理中斷,VtoolsD提供了VhardwareInt類來實(shí)現(xiàn)對IRQ端口的虛擬化,并處理該端口上的硬件中斷,在硬件中斷處理函數(shù)中通過對EPP數(shù)據(jù)端口(37CH)連續(xù)的讀操作,將IDT7202中的心電數(shù)據(jù)讀出,并存儲(chǔ)于VxD的內(nèi)存中,同時(shí)通過VWIN32_SetWin32Event事件服務(wù)通知WIN32采樣控制程序讀取這些數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集ActiveX控件(WIN32程序,Ring3級(jí))中有一個(gè)專門的采樣線程等待該事件,需要調(diào)用Windows一個(gè)未公開的API函數(shù)OpenVxDHandle將應(yīng)用級(jí)的事件句柄轉(zhuǎn)換為Ring0級(jí)的事件句柄,再傳給VxD使用,在該事件觸發(fā)時(shí),通過API函數(shù)DeviceIoControl傳遞PPSAM_READ_DATA消息,讀取存在于VxD內(nèi)存空間中的數(shù)據(jù),在讀取一定量的數(shù)據(jù)時(shí),將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到位于硬盤上的文件(文件頭信息,及文件擴(kuò)展名標(biāo)識(shí)了不同的數(shù)據(jù)類型)。3.2接收數(shù)據(jù)端錯(cuò)誤校驗(yàn)數(shù)據(jù)差錯(cuò)校驗(yàn)在ActiveX控件中完成。從IDT7202中讀出的數(shù)據(jù)是雙字節(jié),包括12位的數(shù)據(jù)和4位的通道標(biāo)識(shí),存儲(chǔ)器和并行口均為8位并行數(shù)據(jù)總線,先高字節(jié),后低字節(jié)讀出每個(gè)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)通過并行口電纜傳輸時(shí)由于受到分布電容等一些分布參數(shù)的影響可能造成數(shù)據(jù)出錯(cuò),IDT7202的RˉˉˉRˉ腳也可能由于受到尖峰脈沖干擾而使得讀出的數(shù)據(jù)不對,導(dǎo)致高低字節(jié)順序發(fā)生變化或多讀,因而在接收數(shù)據(jù)端需要加入