虚拟仪器课程设计-基于Labview的脉搏监测分析系统.doc

成绩 课 程 设 计 说 明 书课程设计名称：虚拟仪器课程设计题 目：基于labview的脉搏监测分析系统学 院：电气信息学院学 生 姓 名：*专 业：测控技术与仪器学 号：*指 导 教 师：*日期：2010年12月8日西华大学课程设计说明书基于labview的脉搏监测分析系统摘 要：利用hk-2000系列集成化脉搏传感器通过脉搏跳动来采集信号，通过visa与串行接口仪器通信，用labview做核心处理部分，实时显示出脉搏信号波形，并将数据进行分析和处理，便可得到人体脉搏跳动的幅值和频率。关键词：虚拟仪器，脉搏传感器，串口通信，信号处理abstract：using hk - 2000 series integrated pulse transducer through the pulse signal to collect, through the visa and serial interface communication instruments, use the labview do key processing parts, real-time display a pulse signal waveform and data analysis and processing, can get the human body the pulse amplitude and frequency. keywords：labview, hk - 2000, visa, signal processing 目 录1前言11.1设计背景11.2设计目标12总体方案设计22.1方案比较22.1.1方案一22.1.2方案二22.2方案论证32.3方案选择33labview及脉搏传感器概述43.1labview虚拟仪器简介43.1.1虚拟仪器特点43.1.2虚拟仪器构成43.1.3labview简介53.2脉搏传感器简介64单元模块设计74.1visa配置串口74.2前面板设计84.3程序框图设计95指标参数及系统改进115.1技术参数与通信协议115.2信号调理电路126系统调试136.1准备工作136.2系统测试147总结与体会168谢辞179参考文献18附录19ii1 前言脉搏是由心脏搏动而引起, 经动脉和血流传至远端的桡动脉处, 它携带有丰富的人体健康状况信息。早在公元前7世纪脉诊就成为中医的一项独特诊病方法。但自古以来中医独特的诊断方法及治病的疗效总是笼罩着一层神秘的面纱。中医一直是靠手指获取脉搏信息, 这难免存在许多主观臆断因素, 况且这种用手指切脉的技巧很难掌握,因此人们迫切期望尽早实现脉诊的科学化和现代化。随着传感器技术及计算机处理技术的发展，人们希望能够将现代技术应用于中医脉象诊断，以便更科学、更客观地揭示脉象的实质与特征。另一方面从西医的角度看,近年来人们也试图根据脉搏波的变异性来评价和诊断人体心血管系统的病变,以便能找到一个有效的心血管疾病早期无创诊断的方法。因此,对脉搏信号进行无失真的检测、采集和处理是一项重要而很有意义的基础工作,它是对脉搏信号进一步分析并依此对心脏及动脉血管系统疾病进行预报和诊断的前提。本论文的研究主要是基于这方面来进行的，利用功能强大的虚拟仪器labview设计出脉搏的采集与分析系统，从客观、物理的角度来诠释人体脉搏系统。 1.1 设计背景随着在世界范围内，心血管类疾病患者与日俱增，已成为人类健康的头号杀手。美国心脏协会报告称，每年大约有240万美国人死于心血管疾病，其中尤以高血压患者所占比率最高，现象最为普遍。中国卫生部公布中国心血管疾病患者已超过1.5亿，心血管病是目前中国人群最主要的死因。因此预防此类疾病的产生显得尤为重要。 人体脉搏系统是心血管系统的重要组成部分，从脉搏波中提取人体的生理和病理信息作为临床诊断和治疗的依据，受到中外医学界的重视，脉搏波所呈现出的形态、强度、速率、节律等方面的综合信息，在很大程度上反映出人体心血管系统中的许多生理病理的血流特征。中医的诊脉理论认为脉搏波的传播与心血管系统的血液运动、血管壁运动规律有着密切的联系。 1.2 设计目标利用hk-2000系列集成化脉搏传感器通过脉搏跳动来采集信号，通过visa与串行接口仪器通信，用labview做核心处理部分，实时显示出脉搏信号波形，并将数据进行分析和处理，得到人体脉搏跳动的幅值和频率。2 总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述最终选择方案的原因。2.1 方案比较利用传感器采集信号时可以考虑的手腕的脉搏跳动，考虑压力传感器，但是采集有点麻烦；手指血液浓度随心脏跳动而产生的有规律的变化，考虑红外管传感；手腕脉搏的跳动，同样考虑压力传感器，相对于胸部心脏的跳动微弱，但是采集方便。考虑到人性化的问题，最后我们考虑选择后两个想法进行验证。2.1.1 方案一系统首先通过采集电路迸行脉搏信号的采集，将检测到脉搏经单片机计算出脉率，利用串口控制gsm模块将超标的脉率数据以短信通讯的形式发送到家属或医生手机。方案一功能模块如图2-1所示。红外管单片机显示gsm图2-1 方案一的功能模块图系统系统由脉搏传感器，gsm网络、蜂窝通信引擎电路（tc351i模块）、单片机控制电路（at89s52）、客户终端（手机）、显示电路构成，系统首先通过采集电路进行脉搏信号的采集，将检测到脉搏经单片机计算出脉率，超标的脉率数据经gsm模块以短信通讯的形式发送到家属或医生手机，平时的脉率可在显示电路显示。2.1.2 方案二hk-2000bvisalabview信号处理显示图2-2方案二功能模块图采用hk-2000系列集成化脉搏传感器通过脉搏的跳动采集信号。当脉搏跳动时，压电陶瓷片便会产生相应的信号，经串口与labview通信，利用软件对信号进行解调、信号处理、特征值提取、波形显示、回归分析等操作。 2.2 方案论证方案一中采用红外对管，将对管夹于手指端部，通过手指血液浓度会随着心脏的跳动发生变化，红外对管对应的信号便会发生相应的变化，采集此信号经过放大，滤波，比较等处理便可以得到理想的信号。但是我们红外对管的知识太少，试验了好几次，始终得不到所需要的信号。采用51系列的单片机。该类型单片机i/o口较少，外围电路简单，体积小，价格便宜。我们得到的信号送入单片机处理，只需要简单的软件编程。但是却需要显示等其他的电路。方案二采用hk-2000系列集成化脉搏传感器通过脉搏的跳动采集信号。采用新型高分子聚合材料微音传感元件作为音头，集成化信号处理、环氧树脂封装、外形小巧；输出高保真、低阻抗、功率信号，抗干扰性能强并具有较好的低频响应特性；电源、输出均采用接插件连接同时提供开发接口，方便用户使用或二次开发。采用labview处理。labview是一种图形化的编程语言，是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。没有硬件部分，完全的软件模拟。实现起来十分的方便。2.3 方案选择通过这两个方案的对比，在设计方面，labview的程序由图形语言构成，用简单或图标提示的方法选择功能（图形），并用线条把各种功能（图形）连接起来，使得工程技术人员可以按照测试要求和任务快速“画”出自己的程序，“画”出仪器面板，从而大大提高了工作效率，减轻了科研和工程技术人员的工作量。所以我选择方案二。3 labview及脉搏传感器概述本设计中采用虚拟仪器技术，应用目前广泛应用的脉搏传感器设计。3.1 labview虚拟仪器简介3.1.1 虚拟仪器特点与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性 好等明显优点，具体表现为：智能化程度高，处理能力强 虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。复用性强，系统费用低 应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高 速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪 器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚 拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。可操作性强，易用灵活 虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的 多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数 据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的 可操作性大大提高而且易用、灵活。3.1.2 虚拟仪器构成虚拟仪器的构建主要从硬件电路的设计、软件开发与设计2个方面考虑。硬件电路的设计主要根据用户所面对的任务决定，其中接口设计可选用的接口总线标准包 括gp ib总线、vxi总线等。推荐选用vxi总线。因为他具有通用性强、可扩充性好、传输速 率高、抗干扰能力强以及良好的开放性能等优点，因此自1987被首次推出后迅速得到各大仪 器生产厂家的认可，目前vxi模块化仪器被认为是虚拟仪器的最理想平台，是仪器硬件的发 展方向。由于vxi虚拟仪器的硬件平台的基本组成是一些通用模块和专用接口。因此硬件电 路的设计一般可以选择用现有的各种不同的功能模块来搭建。通用模块包括：信号调 理和高速数据采集；信号输出与控制；数据实时处理。这3部分概括了数字化仪 器的基本组成。将具有一种或多种功能的通用模块组建起来，就能构成任何一种虚拟仪器。vxi总线接口软件由零槽控制器提供，包括资源管理器、资源编辑程序、交互式控制程序和 编程函数库等。该软件在编程语言和vxi总线之间建立连接，提供对vxi背板总线的控制和支 持，是实现vxi系统集成的基础。 “软面板”设计就是设计具有可变性、多层性、自助性、人性化的面板，这个面板应不 仅同传统仪器面板一样具有显示器、led、指针式表头、旋钮、滑动条、开关按钮、报警装 置等功能部件，而且应还具有多个连贯操作面板、在线帮助功能等。3.1.3 labview简介labview是由美国ni公司开发的、优秀的图形化编程开发平台，是laboratory virtual instrument engineering workbench的简称，即实验室虚拟仪器工程平台，是目前应用范围最广、功能最为强大的虚拟仪器开发平台。labview集成了与满足gpib、vxi、rs-232和rs-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用tcp/ip、activex等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 图形化的程序语言，又称为“g”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念。因此，labview是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。图3-1 labview 8.2界面图3.2 脉搏传感器简介hk-2000系列集成化脉搏传感器，采用高度集成化工艺将力敏元件（pvdf压电膜）、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。灵敏度高；抗干扰性能强；过载能力大；一致性好；性能稳定可靠；使用寿命长。图3-2 hk-2000系列集成化脉搏传感器性能指标：电源电压：56vdc压力量程：-50+300mmhg灵敏度：2000uv/mmhg灵敏度温度系数：110-4/精度：0.5%重复性： 0.5%迟滞： 0.5%过载：100倍 图3-3 典型脉搏输出波形图4 单元模块设计设计基于labview的脉搏信号监测分析系统包括前面板的设计和程序框图的设计。下面将对本系统中前面板和程序框图的设计一一进行介绍。4.1 visa配置串口labview通过visa与串行接口仪器通信。visa是应用于仪器编程的标准i/o应用程序接口（api），它本身并不具有仪器编程能力，而是为用户提供了一套独立的可方便调用的标准i/o底层函数。无论对于gpib、串口还是其他接口，用户只要调用这些标准函数，则visa就会根据实际接口类型自动调取相应的接口驱动程序例程，方便实现上层应用程序与接口总线仪器的通信。在labview里使用visa，必须安装ni-visa程序包，安装后，与串口通信相关的visa函数位于functions-all functions-instrument i/o-serial子模板上，如图4-1所示。图4-1 visa串口通信函数设置节点，该节点的主要功能是初始化、配置串口，包括设定波特率、数据位、停止位、奇偶校验位、流控制、超时处理、终止符和终止符使能等参数，将visa资源名称指定的串口按特定设置初始化。在本系统中将该节点设置串口的波特率为115200bps；数据位为8位；停止位为1位；奇偶校验为奇校验；流量控制为不使用。其中波特率可设为115200 bps、19200 bps、9600 bps等；数据位一般可设为：7或8位；而校验位可设为：无校验、奇校验与偶校验等。根据此节点的特征：输入数字“0”代表为无校验，输入数字“1”为奇校验，输入数字“2”为偶校验。对于停止位则输入数字“10”代表选择的停止位为1位，输入数字“15”代表选择停止位为1.5位，输入数字“20”代表选择停止位为2位。握手控制（流控制）一般设为不使用，即输入数字“0”（握手控制只在串口缓存不足时才使用）。图4-2 labview串口设置节点串口配置前面板如图4-3所示。图4-3 visa配置串口前面板4.2 前面板设计本系统中前面板的设计主要包括波形图表、visa资源名称、串口波特率、传送数据位数、校验位、停止位、启动采样字符等的设计。波形图表如图4-4所示，其功能是实时显示心音音频信号的波形图。visa资源名称、串口波特率、传送数据位数、校验位、停止位、启动采样字符的设计如图4-5所示，它们的功能分别是选择有效串口序列号、串口传送数据的波特率、有效数据位的位数、是否对数据进行校验、开始对信号进行采样。图4-4 信号波形显示界面图4-5 各功能参数设计界面图4-6 脉搏信号频率与幅值界面4.3 程序框图设计根据前面板的设计，程序框图的主要功能是完成各个框图的连线以及对数据进行分析、转化、处理。要采集数据，首先要对串口进行设置。串口主要是设置其有效通道、波特率、传输数据位数、是否校验数据和设置停止位。图4-7 串口设置程序接下来是采集数据。采集数据要通过前面板的“开始采集”按钮来启动采集，将采集命令同串口写入缓冲区写入传感器内部，然后开始采集获得数据。图4-8 数据采集采集到的数据时十六进制类型字符，需要将其转换为数值型才能进行运算。本系统将采集到的字符型数据转为无符号8为整型，接着利用传感器工作原理，将数字量转换为模拟量，送到波形图表当中，进行实时的显示。图4-9 脉搏信号波形显示最后进行数据的处理，计算出波形的幅值以及信号的频率。图4-10 脉搏信号分析5 指标参数及系统改进介绍系统对应指标参数的测试及分析系统存在的不足以及改进，增加一个调理电路。5.1 技术参数与通信协议传感器的参数如表5-1所示。表5-1传感器的参数参数最小值典型值最大值单位备注频率响应101500hz灵敏度4mv/pa过载能力100倍波特率115200采样精度8位采样频率1k-8k设置hky-06c型脉搏传感器的串行通信协议如下所示：（1）、读序列号：接收（2字节） 20h(开始符) 31h（命令字）发送（5字节） 20h(开始符) xxh xxh xxh xxh（序列号4字节，低字节在前）（2）、启动采样：接收（2字节） 20h(开始符) 32h（命令字）发送（2字节） 20h(开始符) 32h （3）、停止采样：接收（2字节） 20h(开始符) 33h（命令字）发送（2字节） 20h(开始符) 33h （4）、设置放大级别：接收（3字节） 20h(开始符) 34h（命令字） xxh(放大级别0h-9h)发送（2字节） 20h(开始符) 34h（5）、设置基线位置： 接收（3字节） 20h(开始符) 35h（命令字） xxh(基线位置0h-4h)发送（2字节） 20h(开始符) 35h（6）、设置采样频率：接收（3字节） 20h(开始符) 37h（命令字） xxh(采样频率0h-3h)发送（2字节） 20h(开始符) 37h（采样频率对应表： 分别为：1k、2k、3k、4k ）1k的采样频率，那么1s就输出1k（1000）个点，输出的是相对值，即点与点之间的比较。数字量最大值是ff，最小00；模拟量最大3v，最小0v；ad是10位，则最小可分辨的电压是，实际是0.01176v。5.2 信号调理电路传感器内部采集到信号后需要对信号进行调理，调理电路如图5-1所示。图5-1信号调理电路当传感器上信号变化时，其电阻也相应发生线性变化，从而压力桥式测量电路输出端电压发生变 化 ，该变化电压通过连接器j2 进入由lm324 的u8b、u8c、u8d 组成的差动放大电路进行一级放大，再经过lm324 的u8a 进行二级放大后在 ch2端输出一个与压力成正比的线性电压波形 。其中通过调节电位器rx4来改变差动放大倍数，在u8d输出端得到一级放大信号；通过调节电位器 rx5来调节电路对称性 ，实现对于干扰信号的抑制。6 系统调试6.1 准备工作使用时应注意使脉搏传感器传感面（白色）贴在脉搏最强处，如图6-1所示。图6-1 脉搏传感器使用示范安装ni-visa。图6-2 visa安装图本系统中使用的脉搏传感器是usb接口，因此在使用传感器的时候首先需要安装usb驱动，即cp210x_drivers。图6-3 cp210x_drivers安装6.2 系统测试本系统的调试主要是前面板上控件参数的设置和程序框图上函数参数的设置。在设置前面板的时候，波形显示采用波形图表。波形图表x轴类型为“相对时间”，“自动调整标尺”，y轴（幅值）为“浮点型”，最小值为-1，最大值为5。波特率、数据位数、校验位、停止位选用数值输入控件，其中，波特率的控件设置为“无符号32位”，数据位数控件设置为“无符号8位”，校验位和停止位设置为“无符号16位”。“开始采样”开关选用布尔控件的确定按钮， “停止采样”开关选择布尔控件的停止按钮，按钮的操作都选择“释放时触发”。到此，前面板控件参数的设置完成。接下来是程序框图的设计。要采集串口的数据，首先要先设置串口参数。调用visa配置串口函数，将串口资源名称、波特率、数据位数、校验位、停止位函数与之连接起来。选择一个条件结构函数，当触发“开始采集”按钮时，执行条件结构内的程序。串口传输过来的数据，程序需要对读取缓冲区里的数据进行判断，个数不为0的时候才开始读取，执行读程序。由于串口接收到的数据全是十六进制的字符型，在程序设计的时候，将从串口读取出来的数据强制性转换为无符号8位数据，使用的是“强制类型转换”函数。字符被强制转换为数字后，进过运算转换为心音信号的实际幅值，在波形图表上显示出来。实际测得的脉搏信号波形如图6-4所示。图6-4 系统功能测试图7 总结与体会在这两个星期的课程设计中，我们用在课堂上所学到的知识亲自去设计、安装、调试一个完整的人体脉搏监测与分析系统，虽然只是部分地实现了所给定的功能要求，但我觉得收获还是很多的，可以从以下几个方面来说：首先，在整个设计中我们学会了在复杂的问题面前怎样去分析，找到问题的关键所在，而且认识到这种能力的重要性。比如说，在程序设计的前几天，我们对设计中所用到的软件、及传感器应用都不是很熟悉，感觉什么都不会，无从下手，但当我了解到这些东西在设计的系统中所起的作用后，从整体上看时，整个系统的流程就明了了，就明白了系统设计的需求，知道我们应该做什么了，我觉得这就算是抓住了问题的关键吧。其次，这次课程设计也让我们体会到了现场环境特殊性。我们在系统设计的后一部分中，遇到的很多问题都与控制系统设计本身没什么关系，而是与一些环境因素和同学之间的协调有关的问