（机械电子工程专业论文）生物医学信号数据处理系统研究.pdf

西北工业大学硕士论文 摘要 生物医学信号采集处理是生物医学研究的重要依据和基础，信号拾取、采 集和处理的正确与否，直接影响到生物医学研究的准确性，因此，研究生物医 学信号采集处理系统有着重要的意义。 论文介绍了生物医学信号采集处理系统的概念和特点，并采取将生物医学 信号调理和数据采集分别放在两块板上，解决了“一块板”设计中不同性质信 号即数字信号和模拟信号间的相互干扰问题。大大提高了系统的抗干扰能力。 从生物信号的特点出发，作者研究并设计了以a t 8 9 c 5 1 为核心的生物医学 信号数据处理系统，并集成了一个电子刺激器，以满足不同的实验要求。作者 首先阐述了生物医学信号数据处理系统的硬件接口电路设计：其次，对信号的 输入电路、程控放大电路、滤波电路、电源模块及刺激发生器等功能模块的设 计要点和工作原理进行了详细分析，并对系统软件的设计思想以及主程序、中 断程序和其它功能程序进行了系统介绍。最后对系统进行了调试和分析，另外 对系统的噪声和干扰也进行了分析和相应的防治。 关键词：生物医学信号a t 8 9 c 5 1 单片机信号调理 程控放大刺激器 亘! ! 三些查兰堡主笙苎 a b s t r a c t a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go f b i o m e d i c a ls i g n a l si st h ei m p o r t a n te v i d e n c ea n d t h eb a s eo fb i o m e d i c a lr e s e a r c h w h e t h e rt h ec o l l e c t i n g ，a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g o f s i g n a l sa r ec o r r e c to rn o t w i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ea c c u r a c yo fb i o m e d i c a lr e s e a r c h s o t h e y a r eo f i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h ec o n c e p t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co fa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go f b i o m e d i c a ls i g n a l sw e r ei n t r o d u c e d ，t h e nt h ea u t h o ri n t r o d u c e ds u c ha ni d e at h a t s e t t i n g c i r c u i t so fb i o m e d i c a l s i g n a lc o n d i t i o n i n g a n dd a t a a c q u i s i t i o n o f ft w o d i f f e r e n tb o a r d s ，w h i c hr e s o l v e dt h ep r o b l e m - - i n t e r f e r e n c eb e t w e e ns i g n a l so f d i f f e r e n tq u a l i t y ( d i g i t a ls i g n a l sa n da n a l o gs i g n a l s ) w h e nt w oc i r c u i t sw e r ed e s i g n e d o no n eb o a r da n d i m p r o v e ds y s t e m sa n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yg r e a t l y a c c o r d i n gt o c h a r a c t e r i s t i co fb i o m e d i c a ls i g n a l s ，t h ea u t h o rr e s e a r c h e da n d d e s i g n e dt h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e mo fb i o m e d i c a ls i g n a l sb a s i n g o na t 8 9 c 51 m i c r o p r o c e s s o r ，i nw h i c ha ne l e c t r o s t i m u l a t o rw a si n t e g r a t e ds ot h a tt h es y s t e mc a n m e e td i f f e r e n t e x p e r i m e n t n e e d s f i r s t l y ，h a r d w a r e e l e c t r o - c i r c u i t d e s i g n o f a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fb i o m e d i c a ls i g n a l si n c l u d i n gi n t e r f a c ec i r c u i td e s i g n w a se x p a t i a t e d s e c o n d l y , t h ek e yd e s i g na n do p e r a t i o n p r i n c i p l eo f f u n c t i o nm o d u l e t h a ti sc o n s i s t e do f s i g n a l si n p u tc i r c u i t ，p r o g r a m m a b l ea m p l i f i e rc i r c u i t ，f i l t e rc i r c u i t a n de l e c t r i c a ls o u r c em o d u l ew e r ea n a l y z e dp a r t i c u l a r l y t h e nt h ei d e a so fs o f t w a r e d e s i g n i n g ，t h em a i np r o g r a m ，i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n ea n do t h e rf u n c t i o np r o g r a m s w e r ei n t r o d u c e ds y s t e m a t i c a l l y f i n a l l y , d e t e c t i o na n da n a l y s i sw e r ep r o c e s s e d i n a d d i t i o n ，n o i s e a n di n t e r f e r e n c eo f s y s t e m w e r e a n a l y z e d a n d p r e v e n t e d c o ”e s p o n d i n g l y k e y w o r d s ：b i o m e d i c a l s i g n a l s a t 8 9 c 5 1 m i c r o p r o c e s s o rs i g n a lc o n d i t i o n i n g p r o g r a m m a b l ea m p l i f i e r s t i m u l a t o r i i 塑! ! 三些查兰堡圭堡兰一 第一章绪论 生物医学工程应用电子技术、检测技术、信号处理技术和计算机技术来解 决生物医学的问题，由于现代微电子技术和计算机技术的飞速发展，生物医学 与电子技术和计算机的关系越来越密切。随着改革开放和国民经济的高速发展， 人民生活水平的日益提高，生物医学测量和生物医学仪器设备的应用日益显示 出它的重要性。 1 i 生物信息检测技术的发展 生物医学工程学为生物医学的发展提供工程原理和技术，另一方面，生物 医学工程学研究中所获得的对复杂、精细生命过程的认识及对以生命体为对象 的独特的工程原理与技术方法，也渗透到电子、信息、材料、物理、化学等多 个学科，促进了学科间的相互发展。生物医学工程学的共同技术基础是生物信 息检测技术。生物医学信号检测是各种医学检测仪器发展的重要技术基础，生 物医学信号处理技术综合反映了通信、生理、模式识别、人工智能和数字信号 处理多类技术，已成为医学研究、疾病诊断和指导治疗的重要技术。 生物信息检测包括对携带有生物结构和特性信息的化学量、物理量的检测， 以及对所需传感器件和系统的研究。它提供了进行生物电子学其它领域研究的 基本条件。早期检测的物理量主要是微弱的生物电信号，如心电信号、肌电信 号、脑电信号和胃电信号等。近期已发展到运用超导仪器检测生物体内的更微 弱的磁信号，包括心磁信号、脑磁信号等。除了磁信号夕 ，还检测生物体内发 出的热波、光信号和声波振动。微电极的直径从毫米级缩小到微米甚至纳米范 围，它的进展使细胞级生物电信号的测量得以实现。除了物理量的监测外，由 于化学传感器和生物传感器的发展，对化学量和生化的检测进展很快。化学过 程的检测显然对生命现象的研究有很特殊的意义，它使得生物信息的采集扩展 到蛋白质和基因水平。分子生物学与微电子学技术的结合产生生物芯片，已成 为目前国际上研究的一个热点，可实现基因分子信息大量快速、规模化、低成 本获得。利用无线通讯技术，把生物传感器植入体内进行实时监控等技术也已 成为现实1 3 4 。 1 西北工业大学硕士论文 1 2 数据采集处理系统的基本概念 1 2 1 数据采集系统概论 随着计算机技术的发展，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过 程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来越重要地作 用。然而，外部世界大部分信息是以连续变化的物理形式出现的，例如，温度、 压力、位移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理，就必须对被测对象 的各种参量通过各种传感元件作适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编 码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。控制器一 般由计算机承担，所以说计算机是数据采集系统的核心，它对整个系统进行控 制，并对采集的数据进行加工处理口j 。 数据采集系统追求的最主要目标有两个：是精度，二是速度。对任何量 的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去测试的意义；提高数据采集的速 度不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的适用范围，便于 实现动态测试。 现代数据采集系统的主要特点： ( 1 ) 现代数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率 大为提高，也节省了硬件投资。 ( 2 ) 软件在数据采集系统的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。 ( 3 ) 数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成数据采集与处理系 统，可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。 ( 4 ) 数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需 要；对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环 境。 ( 5 ) 随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越 来越小，可靠性越来越高，出现了单片数据采集系统。 ( 6 ) 总线在数据采集系统中有广泛的应用，总线技术对数据采集系统结构 的发展起重要作用。 西北工业大学硕士论文 1 2 2 数据采集系统的基本组成 数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又分为模拟部分和数字 部分。基本组成框图如下： 图1 2 1 数据采集系统硬件基本组成 传感器的作用是把非电量的物理量转变成模拟电量( 如电压、电流或频率) ， 通常把传感器输出到a d 转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。 放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，例如常用 的热电偶输出变化往往在几毫伏到几十毫伏之间；人体生物电信号仅是微伏量 级。因此，需要力珏以放大，以满足大多数a d 转换器的满量程输入5 1 0 v 的 要求。此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到了阻 抗变换器的作用来缓冲输入信号，由于各类传感器输出信号的情况各不相同， 所以放大器的种类也很繁杂。 传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合 渠道使信号通道染上噪声，例如工频信号可以成为一种人为的干扰源。它可以 用滤波器来衰减，以提高模拟输入信号的信噪比。 在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测， 这可通过多路模拟开关来实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道 的某一路信号，因此，在多路开关后的单元电路，s h 、a d 及处理器电路等， 只需一套即可，但这仅仅在物理量变化比较缓慢、变化周期在数十至数百毫秒 之间的情况下比较合适。但信号频率较高时，使用多路开关后，对a d 转换速 1 西北丁业大学硕士论文 率要求随之上升。 1 2 3 系统设计的基本原则 1 确保性能指标的完全实现 系统设计的根本依据是所要达的性能指标，它必须首先得到保证，如采样 速率、系统分辨率、系统精度等。 要保证系统性能指标，主要应考虑系统输入信号的特性，如输入通道数、 是模拟量还是数字量、信号的强弱及动态范围、信号的输入方式等。 2 系统结构的合理选择 系统结构的合理与否，对系统的可靠性、性能价格比等有直接的影响。首 先是硬件、软件功能的合理分配。其次要考虑系统的布局以及接口特性。接口 特性包括采用什么样的总线、采样数据的输出形式、数据的编码格式等。 3 对于较大型的应用软件，应参考软件工程学的进行设计。 软件工程强调结构化分析、结构化设计和结构化编程。按照软件工程学的方 法进行设计，可以保证有较高的软件开发效率，保证所开发的软件有较长的生 存周期。 4 安全可靠，有足够的抗干扰能力。 1 3 生物医学信号数据处理系统 1 3 1 生物医学信号的特点 生物医学信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，是由复杂的生命体发出 的不稳定的自然信号。各种生理参数，如心电、脑电、肌电等生物电信号；体 温、血压、呼吸、血流量、脉搏、心音等的温度、压力、流量、力、位移等非 电量信号，从信号本身特性到提取方式，都不同于工业工程中的情况，而具有 其特殊性。 生物信号的特点：信号弱、干扰强、频率低。由于直接信号的信号源不可 触及，必须在体表测量，般说来，信号幅度均很小。例如发自脑电信号为 2 - l o o p v ；心电信号幅度为几百微伏至几毫伏。众所周知，非研究对象的信号 4 西北工业大学硕士论文 均属噪声或干扰，因此在研究脑电节律信号e e g 时，伴随的肌电信号就是干扰。 干扰还来自电极运动、电源干扰以及其他大功率收音机、电视机或雷达设备产 生的电磁干扰等，其幅度常大于研究对象的信号幅度。频率低。例如脑电的频 带在0 5 h z 至l o o h z 之间，肌电信号的频带为l o h z 2 0 0 0 h z 。 强噪声背景下的制约表现在人体实际上是一个多输入、多输出的极为复杂 的生命系统。人体虽然可以分为神经系统、循环系统、呼吸系统等子系统，但 各个子系统却不是互不相关、各自独立的。每一个子系统实际上是整个人体的 复杂物理和化学过程的综合，他们之间保持着有机的联系，一种生理参数的测 量将受到多种其它参数的影响，对被测参数而言，他们就是噪声。噪声往往将 一种被测信号淹没。 1 3 2 生物医学数据处理的目的和特点 生物医学信号处理研究目的一是对生物体系结构与功能的研究，二是协助 对疾病的诊断和治疗。它与一般信息科学中的信号处理分支有许多共同的基础， 但是又有其本身的特性。近年来，生物医学信息的分析可视化作为研究的热点， 不仅涉及生物医学信号处理方法研究本身，而且涉及计算机图形学和与应用领 域相关的其它学科，如生理学、心理学、临床医学等。 生物医学信号处理所涉及的生物信号种类繁多，其主要特点是信号的随机 性和噪声背景都比较强，信号的统计特性随时间而变，而且还是非先验性的。 生物医学信号处理的研究是指应用并发展信息处理的基本理论，根据生物医学 信号的特点，通过对信号进行拾取，包括换能、放大、频率带限、a d 转换以 及计算机处理等，并对所采集到的生物医学信号进行分析、辨认、解释、分类、 显示、存贮和传输，在生物信号数据处理系统设计中，要同时处理多方面复杂 因素的影响，精密设计处理方案，进行复杂的数掘处理工作，以设计较为准确 的系统。 1 4 论文主要研究内容 本课题所要研究的生物医学信号数据采集处理系统主要应用于生物医学工 西北工业大学硕士论文 程专业的生理、药理等方面的教学与科研。它属于整个生物医学信号采集处理 系统项目的一部分。 生物医学信号采集处理系统由硬件与软件两大部分组成。硬件主要完成对 各种生物电信号( 如：心电、肌电、脑电) 与非电生物信号( 如：血压、张力、 呼吸) 的采集，并对采集到的信号进行调理、放大、进而进行模数( a i d ) 转 换，使之进入计算机。软件主要用来对已经数字化了的生物信号进行显示、记 录、存储、处理等。 本系统设计以单片计算机为核心的生物信号数据采集系统，采取将生物信 号调理和数据采集放在两块板上，解决了一块板设计中不同性质信号间的相互 干扰问题。大大提高了系统的抗干扰能力。 作者主要参与四通道信号程控放大、滤波器、抗干扰的研究，设计高共模 抑制比、高放大倍数及宽放大倍数范围、高抗干扰性能的生物电前置放大器， 负责相应的硬件电路设计和软件研究。同时在此系统中集成了一个程控刺激器， 由单片机来控制其工作方式，上层计算机来控制其工作方式的选择。并且工作 方式多样化，满足不同的生理实验要求。 6 鬻整三垩查兰垦圭垦兰一 第二章系统总体方案设计 2 1 生物医学信号数据处理系统的设计原理和技术要求 在一般灏鳖系统牵整号镶壤懿任务较复杂，豫了小信号放大、滤波步 ，还 有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修磁和量程切换等，遮媳操作 统称为信号调理( s i g n a lc o n d jt i o n i n g ) ，相应的执行电路统称为信号调理电 路。 在微撬纯测试系统中，l 每多鞭袋莰靠硬 争实瓒瓣继号谲理 壬务黎哥叛逶遭 软件来实现，这样就大大简化了微褫肫测试系统巾信号输入通道的结构“信号 输入通道中的信号调理重点为小信号放大、信号滤波以及对频率信号的放大整 形等。比较媳型的信号调理电路组成如图2 1 1 所示。 传 惑 器 信 号 垂升碉母 图2 1 1典拟调理电路的组成框图 2 。 翁蓉放大器原理 至 采 集 电 路 采用大信号输出传感器，可以省掉小信号放大器环节。但是多数生物换能 器输出信号都比较小，必须选用前置放大器进行放大。那么换能器信号“大” 还是“小”秘要不要进行放大黝袋据又是什么昵? 放大器为 卡么要“静麓”韶 设鬟在镬臻瞧鼹甄羲蘸蓑? 缝不缝接在滤波器懿嚣嚣魄? 兹置放大器静放大整 数应该多大为好呢? 这些问题都怒系统总体设计需翳考虑的问题。 我们知邋，由于电路内部梅这样或那样的噪声源存在，使得电路夜没有信 号输入时，输出端仍存在一定幅度的波动电压，这就是电路韵输出噪声。把电 路输密壤测褥熬噪声有效壤v o n 辑雾到该电路豹竣入遴帮豫戳该毫熬熬壤益 k ，得到的嗽平僮称为该电路静等效输入嗓声v 都 v i n = v o n k( 2 - 1 ) 如果加往该电路输入端的信号幅度v l s 小到比该电路的等效输入噪声还要 瓣j l i 监太学顿士连文 低，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。为了不往小信号被窀鼹嗓声所 淹没，就必须在该电路前面加一级放大器，如图所示。图2 1 2 中前鬣放大器的 增益为k o ，本身的等效输入噪声为v i n o 。由于前鬣放大器的噪声与后缎电路的 噪声是互不糨关的随机噪声，潮此，图2 1 。2 电路憩输出噪声，即 y n ”= j ( v 晶，就 必须使v 1 n 厂可 批+ ( 2 4 ) 角年上夕0 不等式司得 厂 1 ，而且必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输入噪声 必须比其餍级电路的等效输入噪声低。因此，调理电路前端电路必须熙低噪声 前置放大嚣。 为了减小髂积，调理毫路中懿滤波黎大多采舔r e 育源滤波器，l 圭l 予邀隆 元件是电路噪声的主要来源，因此r c 滤波器产生的电路噪声比较大。如果把 放大器放在滤器后面，滤波器的噪声将会被放大器放大，使电路输出信噪比降 8 璧苎三竺查兰塑丝兰一 低。我们可以用图2 1 - 3 ( a ) 、( b ) 两种情况进行对比来说明这一点。 艘爵卷忙珥墨 ll l l 围2 1 3 两种调理电路的对比 图2 1 3 中放大器帮滤波器的放大器倍数分别为k 和l ( 即不放大) ，本身 静等效输入噪声分鬟为v 鞭。耪v 科1 。圈2 。l + 3 ( a ) 辑示调理电路鹣等效输入噪 声为 。k ) 2 + ( 。1 ) 2 -一= 墨嚼 ( 2 6 ) 霆2 1 。3 ( b ) n 示调残魄鼹戆等效羧入噪声为 y 。：业趟掣：厩 亿) 对比上两式可见，由于k i ，所以， 1 0 6 d b ，o p 0 7 的管脚功 能：i n + 和r n 一为信号差动输入端，i 、8 脚为调零端，6 脚为输出端。o p 一0 7 一般不需调零。这类运放的输入失调电压和输入失调电流很小，因而运放的精 度也比较高。o p 一0 7 采用超高工艺和“齐纳微调”技术，使其输入失调电压温 漂和输入失调电流温漂都很小，广泛应用于稳定积分、精密加法、比较、检波 和微弱信号精密放大等。 其特性如下： ( a ) 低输入失调电压：7 5 u v ( e ) 宽输入电压范围：1 4 v “。n 。洲睢。7 ( f ) 宽供电电压范围：3 v - 1 8 v图3 3 5o p 0 7 引脚排列 t l 0 7 4 这些低噪声j f e t 输入运算放大器在单片集成电路上组合了两种现 代化的模拟技术。每个内部补偿的运算 放大器能与高电压j f e t 输入器件很好 的匹配，以获得低输入失调电压f 2 7 】。 。“叫1 b i f e t 技术提供了数据管理宽和快的转 i n p u t s l 换速率，同时有低输入偏置电流，低输 。c c 入失调电流和电源电流。“叫5 2 特性如下： o u t p u t2 p i nc o n n e c t i o n s v e e 卜吣。 o u t p u t3 i l 0 7 4f t o p 、f l 鲥1 低输入噪声电压：典型值1 8 纳 伏( 平方根赫) 图3 36t l 0 7 4 引脚排列 低非线性失真：典型值0 0 1 低输入偏置和偏移电流 高输入阻抗：l o ”q ，典型值 2 s 4 悖 叫 叩 o 1， 西北工业丈学硕士论文 高转换速率：1 3 伏微秒，典型值 宽增益带宽：4 0 兆赫，典型值 低电源电流：每个放大器1 4 毫安 图3 3 7 第一通道第二级运放电路 图3 37 所示为第一通道第二级运放电路，当选择模拟开关的不同通道时， o p 0 7 的输入电阻和反馈电阻得以改变，以此来改变信号的放大倍数。其余三 个通道亦然。 我们采用的电子开关为双四选一模拟开关，即差动4 通道模拟双向开关， v d d v s s 控制输入输出接通 n q hba xy oo0x o y o ool x 1y 1 0 1ox 2y 2 ol1 x 3y 3 lx 均不通 图3 3 8 m c l 4 0 5 2 管脚图 表3 i m c l 4 0 5 2 真值表 n n 饥 叭 ：圣 西北工业大学硕士论文 型号为m c l 4 0 5 2 ，是美国摩托罗拉半导体公司的产品，它与美国无线电公司 c d 4 0 5 2 可直接代换。我国生产的c c 4 0 5 2 能直接代用。m c l 4 0 5 2 采用c m o s 电路，它的电压范围极宽，逻辑正常电压为2 2 0 v ：它的静态功耗小，与其它 同功能的数字电路( 非c m o s 电路) 相比，为数百分之一；它的抗干扰能力 强以及门特性优良【“1 。 m c l 4 0 5 2 为双列1 6 脚直插型集成块，它的引脚排列如图33 8 所示。它由 电平位移电路、带禁止端i n h 的4 选l 译码器和由该译码器对各个输出分别加 以控制的8 个c m o s 模拟开关组成，图3 3 8 中，b 、a 是地址输入端，i n h 是 禁止端，其真值表如表3 1 所示。由表可知，当i n h = 1 时，所有开关t g 。 t g 7 均不通( 处于断开状态) ，信号不能传输。只有i n h = 0 时，才有b 、a 决 定选通某一开关。例如b a = 0 0 时，t g o 和t g 4 接通，信号可由x o 传送到x 、 y o 传送到y 。 图3 3 9 为模拟开关通道控制模块，当一w r 为低电平并且p 2 7 为低电平时， 选中7 4 l s 3 7 3 ，四个多路模拟开关的地址译码引脚分别与7 4 l s 3 7 3 的输出端相 连，通过单片机的p 0 口经地址锁存后向m c l 4 0 5 2 传送地址以选通各个模拟开 关相应的通道，从而获得所需的放大倍数。 w r5 p 2 76 c 2 0 i l 一 + s v l1 号 1 0 4 1 6 b l ， ) o 4 7 4 l s s 7 3 - al l l s 0 2p o o 3 p 0 l4 p 0 27 p 0 38 p d 41 3 p 0 51 4 p 0 61 7 p 0 71 8 1 q 2 q 3 q 4 q 5 q 6 q 7 q 8 q 2 5 6 9 1 2 1 5 1 6 1 9 4 - 1 3 - 9 ) 3 - l0 】 2 - 9 ) 2 - l o ) l 一9 ) 1 - 1 0 ) 图3 39 模拟开关通道控制模块 4 第三级运放 当前两级运放的结果还在采集卡模数转换器m a x l 2 0 的转换量程之外时， 上u u 净 口zo卜cj u 8 旦o 1 封 叭|c m佃如一 耍些三些查堂堡主堡苎 还要进行第三级运放，采用程控放大器a d 5 2 6 ，它可以放大2 、4 、8 、1 6 倍 通过对它编程可实现还要进一步放大的倍数。 放大倍数列表如下： 通道数可选择的放大倍数 5 、1 0 、2 0 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 、1 0 0 0 、 第一通道2 0 0 0 、4 0 0 0 、8 0 0 0 第二通道 5 、1 0 、2 0 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 、1 0 0 0 、 2 0 0 0 、4 0 0 0 、8 0 0 0 第三通道 5 0 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 、5 0 0 0 、 1 0 0 0 0 、2 0 0 0 0 0 、4 0 0 0 0 、8 0 0 0 0 第四通道5 0 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 、1 0 0 0 、2 0 0 0 、5 0 0 0 、 1 0 0 0 0 、2 0 0 0 0 、4 0 0 0 0 、8 0 0 0 0 3 3 3 系统调零实现 表3 2 放大倍数列表 当放大器的零点发生较大偏差，软件无法调零时，或当外接传感器无调零 时装置，而零点变化较大时，可以通过调节和t l 0 7 4 的第五个引脚输入相连的 精密可调电阻来对信号调理系统归零，调零时需要用信号线三端相接，也即是 图3 3 1 0 系统调零电路的实现 2 8 堕j ! 三些查堂堡主堡苎 在零输入时进行调节。其调零电路如图3 3 1 0 。 通过调节精密可调电阻r 8 0 改变t l 0 7 4 正输入端的电压，而达到系统在零 输入下输出为零的调节。 另外，我们在系统中设有交、直流输入切换开关：当所测信号为压力与张 力信号时选择直流输入，此时不但可以测出信号的动态变化而且可以测出信号 中的直流成分，其余输入信号无需变换此开关。 3 4 模拟滤波器的设计 模拟滤波器和放大器一样，占有重要地位。模拟滤波器在各种预处理电路 中几乎是必不可少的，已成为生物医学仪器中的基本单元电路。有源滤波器实 质上是有源选频电路，它的功能是允许指定频段的信号通过，而将其余频段上 的信号加以抑制或使其急剧衰减。各种生物信号的低噪声放大，都是首先严格 限定在所包含的频谱范围之内，为消除5 0 h z 干扰，在很多的生物医学测量仪 中都用带阻滤波予以抑制。 有各种类型的有源滤波器电路，其滤波特性、参数调节的方便与否，电路 的复杂程度、对所用元器件的要求以及成本等成为评价、选择电路的依据。用 运算放大器和r c 网络组成的有源滤波器的性能远远优于无源滤波器，因为运 算放大器具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗，所以组成的有源滤波器能提 供一定的增益，并具有缓冲作用，尤其正增益的( 即同相结构电路) 有源滤波 器便于链接，能方便地用简单的手段实现复杂的高阶滤波【1 0 】。 3 4 1 模拟低通滤波器的设计和实现 一阶压控电压源式( v c v s ) 滤波器在带阻区只能获得- - 2 0 d b 十倍频程的 衰减速度，离理想特性较远。在一般要求不高的场合，因其电路简单、设计容 易，仍经常被采用。例如在心电放大器、生理参数放大器等一般的信号放大电 路中，都用一阶滤波器限定放大器的频带。 高阶滤波器大都用二阶滤波电路级联而成，二阶滤波电路因此称为二阶基 本节，或简称为二阶节。二阶传递函数的一般形式为 耍苎三些查兰婴主笙茎一一一 r ( 5 ) ：下业 ( 3 一t o ) 、 s + a o s + i 其中s 为复频率，国。为转折频率，口为品质因数q 的倒数，称为阻尼系数。 口、c o 。为正数，这是二阶系统保持稳定的必要条件。 低通( l p ) 传递函数为： 得到 删= 志 p 1 1 ) 其中a 为通频增益。 传递函数可按某个参考频率脚，归一化。把上式的分子、分母同除以脚； 啪) = 而再茄鬻丽 瓦g ) 2 南 式中 s = s o ，f l = o ， ( 3 1 2 ) 滤波器的传递函数是通过按照不同准则逼近所希望的频率特性得到的。按 不同的准则进行逼近，得到的传递函数便不相同，这体现在低通滤波器原型传 递函数式( 3 1 2 ) 的分母多项式的各个系数上。对于二阶节，口( 即i q ) 反 映出逼近所用的准则：口= 乏为b u t t e r w o r t h 逼近：d 乏，为c h e b y s h e v 逼 近；口：j ，则为b e s s e l 逼近。 图3 4 1第一通道滤波环节 西北工业大学硕士论文 我们采用低噪声运放t l 0 7 4 c n 构成四个通道的l p 滤波器，其中第一、三 通道上限频率为i k h z ，第二通道上限频率为1 0 0 h z ，第四通道为1 0 k h z ，其中 第一、第二通道电路图如图3 4 1 和图3 4 2 。 如图3 4 1 所示，第一通道由两个一阶滤波器串联而成，它们的截止频率分 别为2 1 k h z 和7 9 6 h z ，叠加后其截止频率约为7 5 0 h z 。其中，t l 0 7 4 的1 2 、1 3 、 1 4 引脚构成的滤波器，集成运放工作在电压跟随器状态，有极高的输入阻抗和 极低的输出阻抗，可减小后接负载对滤波器的影响。 由于低功率运放的静态电流不得超过5 0 0 u a 。此电流的定义为在无负载条 件下、即输出端不流入也不流出电流时的电源电流。所以，为了使器件的功耗 r 】 图3 4 2第二通道滤波环：商 最小，芯片内不使用的放大器应接成输入端接地的单位增益跟随器。这样 t l 0 7 4 的8 、9 、1 0 引脚组成的放大器接成跟随器的形式。 如图3 4 2 所示，第二通道采用一阶低通滤波加两个二阶低通滤波器组成五 阶滤波，其中一阶滤波截止频率为1 1 3 h z ，二阶滤波采用c h e b y s h e v e 逼近形式， 截止频率为1 0 7 3 h z ，叠加后的截止频率约为l o o h z 。 另外，第三通道和第四通道由于主要用来做动作电位类实验和神经放电类 实验，所以截止频率要求比较高，因此仅用了一阶低通滤波，截止频率分别为 l k h z 和1 0 k h z 耍! ! 三些奎兰堡主堡苎 四通道低通滤波电路仿真结果如图3 4 3 。 o u t 1 1 0 0 v 0 9 d o v 07 0 0 v 0 5 0 0 v 0 3 0 0v 0 1 0 0 v 图3 4 3 四通道滤波仿真图 3 4 2 工频干扰滤波设计 生物信号尤其是生物电信号其特点主要有三个：一是频率主要集中于低频 段 0 0 h z 范围内；二是信号微弱，一般在1 0 一3 1 0 。6 v 或更小；三是信号的源 阻抗高，易于受外界信号干扰，特别是在此频率段内存在强烈干扰源5 0 或6 0 h z 市电电网信号影响。在这种 情况下几乎所有生物信号放大 装置尽管采用低噪声前置放大 和提高共模抑制比的多种方法， 但往往在不同环境中实际测量 时，不能完全消除市电电源信号 的干扰，不能达到正常测量的目 的。因此现代精密生物信号放大 装置中采用嵌入陷波器的方法，图3 4 4 实用双t 陷波电路 消除市电电网电源信号的干扰或其它特定频率信号的干扰。 目前广泛采用对称性双t 阻容有源陷波器，其理论计算和设计都比较成 3 2 西北工业大学硕士论文 熟，其典型结构如图3 4 4 所示。 双t 有源带阻滤波器的传递函数为： j v ) = 1 - ( c o c 上o o ) ：堕+ j 型4 ( 1 - 二k ) c o c o o ( 3 一1 3 ) 在许多生物信号测量中，因信号频带基本不包含5 0 h z 成分，所以都应用 双t 有源滤波抑制干扰。双t 有源带阻滤波器的特性主要决定于两个方面。双 t 网络中，两支路的r 、c 的对称程度决定陷波点的衰减能达到的最低限度。 只有保持r ，r 和r 2 之间以及c ，c 和2 c 之问的严格对称关系，才能使对应 于f o 的频率的信号互相抵消，衰减到零。实际上经过严格匹配，实现4 0 d b 衰 减是不困难的。陷波点的衰减程度将影响信号的质量，衰减不够降低信噪比。 由陷波器在测量系统中的位置，可以提出具体陷波要求；阻带宽度由k 决定。 陷波器的特性参数为 2 孓p 1 4 ) q = 志 。 k 值越大，q 越高，频率选择性越好。但是q 值太高，滤波器的性能不稳 定，例如，元器件受到温度等影响产生的变化将使陷波点移动，造成5 0 h z 工 频干扰得不到抑制。通常取k = 0 8 左右。k 值过大，又将在5 0 h z 附近丢失太多 的信号，产生波形失真，这对于频带包含5 0 h z 的信号极为不利。取q = 2 5 ，则 k = 0 9 ，为了便于调整取c = 5 1 0 0 p f + 5 0 p f ，则r = 6 1 8 k q 。还有r ，c 参数须通 过实验反复调整才能满足要求。 这类陷波器对称性要求高，元器件精度要求严，否则直接影响陷波频率和 q 直，因此对制作工艺或筛选器件带来困难。更大的问题是中心频率一旦设定 后不能移动和调整，从而限制或影响实际使用效果。因为实际使用时，市电频 率住往有偏差，而且干扰强度也随使用环境不同而变化。因此通过理论和实践 设计和研制具有广泛适用性，在实际应用中针对干扰源频率和干扰强度可进行 选择和调整的陷波器，将对生物信息测量技术改进和提高具有重要的意义口”。 另外，我们也可以采用移相滤波处理方法来抑制工频干扰。图3 4 5 为移 相叠加器原理电路图。例如，心电信号频率集中在2 5 h z 以内，通过中心频率 堕! ! 三些查兰塑主堡塞 为5 0 h z 的二阶移相滤波电路后，因q 值较高，心电信号的相移基本为零，而 5 0 1 - 1 z 干扰通过二阶移相电路时，将产生一1 8 0 。相移。具有反5 0 h z 成分的心电 信号与原始心电信号进行叠加，信号中的5 0 h z 成分即被抵消，而心电信号增 强一倍。从而提高了信噪比。 图3 4 5 移相叠加原理 3 5 电源模块的配置和干扰防治 前向通道中要完成信号的拾取、调节、变换等复杂任务。在信号拾取时， 要考虑对传感器的供电；对于不同的信号调节电路中的芯片，如运算放大器其 电源有特殊要求；随着变换电路选用一些特殊芯片时，也要求有特殊的供电。 因此，| 向通道中，根据电路配置状况要很好的解决电源供给问题。 前向通道与被测对象靠近，而且传感器常常输出是小信号，因此，前向通 道是干扰侵袭的主要渠道。电源配置时要充分考虑到干扰的隔离与抑制。 般前向通道配置的电源有以下特点： ( 1 ) 小功率； ( 2 ) 高稳定度、高纯净度； ( 3 ) 有干扰隔离与抑制措施。 图35 1 是采用d c d c 变换器供电的典型前向通道供电方式。利用应用系 统中标准的+ 5 v 电源经d c d c 转换器变换成前向通道所要求的各种电平电压。 其中f 扰的隔离可以通过三个环节解决： ( 】) 电源隔离。通过d c d c 转换器实现1 1 6 】。d c d c 转换器的输入回路 与输出回路是隔离的，这样切断了系统的主电源与前向通道电源间的干扰渠道。 3 4 堕! ! 三些查兰堡主笙塞一一 ( 2 ) 模拟通道隔离。通过隔离放大器实现。信号调节电路中采用隔离放大 器作为小信号放大用，可以防止现场干扰源通过传感器电源进入前向通道。 ( 3 ) 数字通道隔离。通过光电耦合器实现。光电耦合一般放到前向通道的 数字通道中，紧靠计算机的输入。 图3 5 1 前向通道的电源配置与干扰防治 北京迪赛通用技术研究所生产的d c d c 变换器以其高稳定性能、高抗干 扰、高转换效率等优良特点，占居国内市场十多年，被广泛应用于工控( 如： a d 、d a 板、r s 2 3 2 接口板) 、航空航天、仪器设备及通信领域。为此，我们 选用它的产品5 d 1 5 s 5 及5 d 5 8 0 为各种模拟电路提供隔离电源，可以将电路浮 置起来而与其它地线无关。其中5 d 1 5 s 5 为3 w 、三路输出( 1 5 v 、+ 5 v ) ， 5 d 5 8 0 为1 w 、双路输出( 5 v ) 。 其特性如下： 输入电压范围：+ 5 v 5 输出电压精度：4 源效应：1 负载效应：1 温度系数：0 0 3 c 周期性与随机漂移：i p p 系统电源配置如图3 5 2 所示。其中，由于生物信号处理系统要求有较高的 堕! ! 三些查兰堡= ! = 堡茎 抗干扰性，要求集成运放电源端所加的电压要足够干净，所以a d 6 2 0 、t l 0 7 4 及0 p 0 7 等的电源均来自于d c d e 转换的输出，这样可以减小电源电压不稳带来 的电压漂移，从而减小了系统的噪声。 d a 模拟地 篙l 陋 模拟li 放大滤 开关ij 波电路 霸莩圈辱 图3 52具体电源配置电路 总而言之，采用d c d c 电源电路模块单独供电，其中d c d c 电源电路由 电源模块及相关滤波元件组成。有以下优点： 1 每个电源模块单独对相应板卡进行电压过载保护，不会因某个稳压器的 故障而使全系统瘫痪。 2 有利于减小公共阻抗的相互耦合及公共电源的相互耦合，大大提高供电 系统的可靠性，也有利于电源的散热。 3 总线上电压的变化不会影响板卡的电压，有利于提高板卡上的工作可靠 性。 3 6 放大部分的软件设计 当生物信号数据采集处理系统工作时，需要依据生物传感器输入的信号幅 度的大小来选择放大通道以及所需放大倍数，然后通过a t 8 9 c 5 1 来实现选择所 需模拟开关通路来满足要求。 当系统工作时，通过中断和串口接收端来实现以上功能及下一章刺激器设 置和输出功能。具体设计流程图见下一章。 西北工业大学硕士论文 第四章生物电刺激器设计 4 1 生物电刺激的作用和要求 生物体兴奋组织对电、机械、化学等的刺激均能产生反应，但只有对电的 刺激可以精确地控制其参数，而且适度的电刺激即使重复多次也不会使组织损 伤。所以，通常有关兴奋、传导、反应的规律，都由电刺激获得。临床应用电 刺激兴奋所产生的生物反应( 例如肌肉的收缩、知觉恢复等) 来控制和替代生 物机能，从而达到治疗的目的。另一方面，通过神经肌肉组织对电流刺激的反 应特点来判断是否存在病理的变化，如运动系统包括脑、脊髓、周期神经和肌 肉疾病的诊断、疗效判定等都能提供有价值的信息，这称为电诊断。电刺激应 用于临床，最突出的成就是心脏起搏器的成功，它把电极、电源、电路等全部 植入人体内，为心脏提供合适间隔的电刺激以代替心脏传导障碍造成中断的兴 奋。 任何形式的刺激要引起组织兴奋，必须在以下三个方面达到某个阀值：刺 激的强度、刺激的持续时间( 称为刺激期间) 及刺激强度对时间的变化率。而 且，这三个刺激参数是相互影响的，其中一个( 或两个) 的数值变化，会造成 其余的两个( 或一个) 的数值的改变。 4 2 生物电刺激的硬件电路设计和实现 4 2 1 以单片机为核心的电路设计 由于方波波形简单、上升速度快，波前缘刺激电流对生物组织是较为有效 的刺激，易控制刺激参数( 包括刺激强度、刺激时间和刺激频率) 而最为常用， 故此，本文选择刺激波形为方波。 单片c p u 在接到p c 机触发刺激的命令后，就会发出同步刺激，刺激器是 通过单片机控制d