（生物医学工程专业论文）基于金氏脉学的脉诊仪关键技术研究.pdf

a b s t r a c t t h ep r i n c i p l e so ft r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e ( t c m ) a r eb a s e do n t h ei n f o r m a t i o no b t a i n e df r o mf o u rd i a g n o s t i cp r o c e s s e s ，n a m e l y ， i n s p e c t i o n a u s c u l t a t i o na n de l f a c t i o n ，i n q u i r y ，a sw e l la sp a l p a t i o n a s t h ei m p o r t a n tc o n t e n to fi n s p e c t i o n ，p u l s ed i a g n o s i si sn e c e s s a r y m e a n sf o ra c q u i r i n gt h ep a t i e n ti n f o r m a t i o n h o w e v e r ，t h e r ei s n o u n i f o r ms t a n d a r dt oq u a n t i f ya n ds t a n d a r d i z et h i si n f o r m a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni sg r a n t e db yz i b ok e f e n gc o l t d ，w h i c h i n v e s t i g a t e st h ek e yt e c h n o l o g y f o rp u l s es t a n d a r d i z a t i o nb a s e do n “k i n g s p u l s et h e o r y ”a n dm e d e r f ld i g i t a ls i n g a lp r o c e s s i n g i nt h ep u l s ec o l l e c t i o nr e s e a r c h ， w ed e s i g na na u t o m a t i c d e l a m i n a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do n “k i n g s p u l s et h e o r y ”a n d m o d e r nd e t e c t i n ga n ds i n g a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e s i no r d e rt o i m p l e m e n tt h er e a l - t i m ed i g i t a ls i g n a la c q u i s i t i o n ，o u rs y s t e mu t i l i z e s p c id a t ac o ll e c t i n gc a r dt oc o n v e r ta n a l o gp r e s s u r ed a t at ot h ed i g i t a l d a t a ，t h e nt h ep cs n o f t w a r ea n a l y s e sa n dd i s p l a y st h ep u l s es i g n a l i nt h ep u l s ea n a l y s i sr e s e a r c h ，a b o v ea l l ，t h es y s t e me l i m i n a t e s t h eb a s e l i n ed r i f to fp u l s ew a v e f o r mu s e db ya i l e wa d a p t i v ef i l t e rb a s e d o nm e y e rw a v e l e tt r a n s f o r m p r o p o s e d i nt h i sp a p e r t h e nt h e s t a n d a r d i z e dp u l s es i g n a li sa c q u i r e d t h es y s t e ma n a l y s e st h ep u l s e i nt h et i m ed o m a i n ，c e p s t r u m ，p o w e rs p e c t r u ma n ds u b b a n d se n e r g y e s p e c i a l l ys u b b a n d se n e r g ya n a l y s i si si n n o v a t i v ef o r i t sa p p l y i n g t op u l s ed i a g n o s i s b a s e do nt i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s ， w er e m a i nt h em o s td i s c r i m i n a t i n gf e a t u r e sa f t e rf e a t u r es e l e c t i o n t h e s ef e a t u r e sa r ei n p u t t e di n t os v mc l a s s i f e rt or e c o g n i z et h et y p ic a l s e v e np u l s et y p e s t h ee x p e r i m e n t sa l s os h o w e dt h a tt h er e s u l t so fp u l s e c o m p u t e r d i a g n o s i s a r ec o n s i s t e n tw i t h t h e e x p e r i e n c e d t c m d o c t o r s d i a g n o s is k e y w o r d s ：h u m a np u l s ea n a l y s i s ，w a v e l e ta d a p t i v ef i l t e r ，w a v e l e tp a c k e t d e c o m p o s i t i o n ， s u b b a n d s e n e r g y ，s u p p o r t v e c t o r m a c h i n e ( s v m ) v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 丕盟1 日 期：! 竺：生二生 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：秒“导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 在长期的医疗实践活动中，历代中国医家积累了丰富的临床诊断经验，形 成了中国特有的完整的诊病体系，即四诊( 望、闻、问、切) 、辨证与辨病中 医诊断所具有的独特诊断方法与对人体生命活动状态的认识，自古至今，一直 在临床上发挥着重要的作用，而且在不断地丰富和发展，并对国外医学产生了 一定的影响 中医学在诊察患者时，主要依据患者的自我感觉与外在表现，将四诊所获 得的各种模糊信息( 病情资料) 进行综合分析，形成对患者整体状态( 证候) 的认 识；这种整体、动态的观念体现在诊断上的重点侧重于辨证，显示出中医在医 疗实践方面的卓越思想。随着现代医学模式的转变，这些特点日益受到人们的 重视。 但是由于历史条件的限制，中医诊断未能采用实验室与特殊仪器检查，在 诊断的定位、定量方面显得相对不足。并且，中医的诊法带有一定的主观性 如脉诊是中医学的独特内容，在诊病方面有重要价值，但中医诊脉全凭经验、 手指的主观感觉，缺乏客观指标作为判定脉象的标准，故阐明脉诊的价值，并 使其客观化是中医学术发展的需要。如何有机地结合现代各种检测手段以拓宽 中医传统四诊的视野，以及病证诊断的规范化、微观化方面，国内外不少学者 已进行了大量的有益探索 1 1 国内脉诊的客观化研究概况 1 1 1 脉象的描记和分类 公元1 2 4 1 年，施发的察病指南中将手指感觉绘成3 3 幅脉象示意图，明 代张世贤、吴绍轩，沈际飞等都绘制了脉图。应用描记桡动脉脉搏图( 简称脉图) 的方法研究中医脉象，始于二十世纪五十年代，限于当时的科技水平，进展不 大二十世纪六十年代以来，脉象图研究逐渐深入，但以平脉，弦脉，滑脉和 细脉的研究最为广泛，详论了脉象图特征，且规定了其各项测量指标的参数范 围 文献 1 认为，中医脉象是以下9 种特征信息的不同组合：即脉位的深浅、 脉幅的大小、脉力的强弱、脉波的形态、脉势的虚实、脉道的形态、脉搏的频 率、脉搏的节律和脉体的长短文献 2 ，3 对脉诊的“位、数、形、势”属性作 了论述。“位”是指脉搏位置的深浅；“数”是指脉跳的至数和节律；“形” 是指脉道的粗细、长短，以及脉管的硬度和脉搏往来的流利度( 滑涩) “势” 山东大学硕士学位论文 是指脉搏力量的强弱，而脉的硬度和流利度也都与“势”密切相关任何一种 脉象都具有“位、数、形、势”4 种属性，即具有深浅、至数、节律、粗细、长 短、强弱、硬度和流利度等8 个方面的特性，这些特性的不同程度变化的组合， 就表现为形形色色、各式各样的脉象形态 1 1 2 脉象信号的采集 脉象仪的总体构成包括脉象信号检测、信号预处理和信号分析3 个环节从 测量原理上讲脉象传感器可分为机械式、压电式、光电容积式等几种，其中以 压电式较为成熟和实用二十世纪八十年代初，文献e 4 提出多因素脉图识别法， 并研制出m t y a 型脉图仪，在传统的压力脉波图以外，增加了脉管粗细图及脉位 趋势图。认为应用这3 张图可以综合表示医生脉的8 种指感成分，因而反映出 各种脉象的特征。郑氏1 ) 1 研制出一种多维脉象检测系统，在寸、关、尺三部的 不同位点，同时描记出6 3 道压力脉象图，从而可以对脉搏进行多维分析 1 1 3 脉象的分析方法综述 脉象信息的分析方法随着数学、生物力学，工程学的发展而发展，同时又 受到脉象信息检测方法所制约近年来，常用的脉图分析方法有如下几种： 1 时域分析法 时域分析法是目前应用最广泛的种分析方法它直接通过脉图的形态分 析，来阐明动脉血管内流体参量与时间和空间的函数关系，从而了解脉动频率 和节律、脉力的强弱、脉势的虚实和脉象形态特征等文献 5 等观察比较桡动 脉直径内从中间到两边的7 个等分点上压力随时间变化的波形，检测后发现细脉 者中间到两边的峰高下降快而且平均值较小，并设想用脉图面积积分和7 个波平 均峰值的乘积作为鉴别脉道粗细的指标，与中医切脉符合率达8 0 左右。文献 6 进行脉图研究显示实证p 值大于虚证，差异有非常显著性( 户 0 1 0 1 ) 符合实证 脉象3 部举按皆充盛有力的特征，反映邪气虚而正气不虚的实证病理机制虚证 脉象举之无力，按之空虚，反映正气不足的虚证病理特点，故p 值偏小作者 认为虚证与实证主要表现在脏腑机能方面的情况虚证表现为脏腑机能减退， 实证表现为脏腑机能亢进虚证的病理变化是由于神经功能处于低落或抑制状 态，副交感神经紧张度上升。使心肌功能低落，循环血量不足，血管收缩，基 础代谢率下降，所以h l 和p 值减小实证的病理变化是由于神经功能较为亢进或 过度兴奋，交感神经紧张度上升，使心肌功能增强：循环血量增多，血管扩张， 基础代谢率上升，所以h 1 和p 值增大。 2 频域分析法 频域分析法是近代工程力学中常用的一种处理波动信息的方法，是把脉搏 2 山东大学硕士学位论文 波分解成为一系列频率为基本频率整数倍的简谐振动，构成一个频率谱用频 谱与倍频的不问来分析脉象的不同1 9 9 3 年台中中国医药学院张氏1 以脉波谐 波频谱分析进行中医脏象学说与器官共振理论的相关研究，并分别从经络与器 官共振理论，肝机能异常与脉波频谱异常，以及中医“肝阴不足”证的脉波频 谱分析中，探讨中医脉象的形成机理 3 建立数学模型 某些脉图所属脉象不甚明确，是与否的界限不很明显，因而采用模糊数学 的方法，利用流体力学，生物力学等理论，对脉象进行数理描述，建立脉搏波 的数学模型，依据模糊理论中的择近原理，将数据进行类比，定出脉象的类型 如非线性弹性腔理论、流体瞬变的线化理论 4 速率分析法 速率又称斜率，即动脉内压力的变化率，反映脉波在每一点上的变化速度。 斜率波与脉波相对应，正向波为升支斜率，反映脉波上升的变化速度；负向波 为降支斜率，反映脉波下降的变化速度分析斜率图的改变可更灵敏的反映各 种脉象的变化趋向。 5 自回归一滑动平均模型 这是运用时间序列分析建立的信号回归一滑动平均信号模型( a r m a ) ，提取 波形的特征参数，比较各特征参数的组内离均差与总离均差的比值，然后作f 检 验，确定判别能力大小进行筛选，利用b a y e s 推测来求判别函数，而进行识别。 6 多因素识图法 该法是指下感觉的多种因素的模糊集合，目前认为是一种比较全面的反 映指下感觉的识图方法。文献 1 认为指端不同感觉的模糊集合有9 个，并归 纳为寸、关、尺3 个部位的各4 种脉图：脉波一脉位趋势图；脉象波形图；脉 率趋势图；脉道形态示意图 7 计算机分析法 该法是用计算机对脉图进行分析，筛选各项指标，挑出主要指标运用多因 素分析法建立判别及诊断比较，王贞洁1 等对1 2 1 3 幅脉图用计算机进行统计 学处理，运用多因素分析法对平、滑、弦滑、紧等脉，用单因素分析法对浮、 沉、迟、数等脉建立了各自的判别式，不同脉象符合率都在9 0 以上 1 2 本文脉诊及客观化理论依据 长期以来传统的中医理论对脉象的描述都采用自然现象比喻的方法，造成 了脉象概念模糊、笼统、难以掌握，导致了脉形理论的非确定性。金氏脉学 g a o ! 汲取了传统中医脉学的整体观和辨证观的理论思想，以现代医学理论为基础， 通过数学的手段对疾病基本做到定位、定性、定量诊断，在发展了传统脉学理 3 山东大学硕士学位论文 论的同时与传统脉学理论又有根本的区别，在某种意义上是在中医和西医之间 架起了桥梁。为中医脉诊的客观化提供了可行性 金氏脉学的基本思想主要体现在：三对基本概念( 脉应和脉相、脉动和脉 点、特征与脉形) ；二个基本规律( 脉应和病理变化的对应规律和脉点与脏器 的对应规律) ；一个基本原理( “脉病统一”，即“有其病必有其脉，有其脉必 有其病”) 。它与传统脉诊的根本区别就在于对疾病进行“定性、定位、定量” 诊断。 1 定性诊断金氏脉诊以特征定性不同疾病会产生不同的脉搏特征 根据呈现于脉搏上的不同特征来确定疾病的性质。如冲波兼见致密软涩波，即 可诊断为炎性包块，冲波兼见粘滞性涩波即可诊断为恶性肿瘤。 2 定位诊断金氏脉诊以脉点定位把一个完整的脉动分为1 2 个脉点， 每一个脉点又分为7 层，每个脉点的每个层面都对应着相应的组织器官( 图 卜1 ) 。诊断时根据特征呈现的脉点确定患病脏器 3 定量诊断。金氏脉诊以特征密度定量把1 0 0 个脉动作为一个诊断周 期，3 个或3 个以上周期为一个周程。在一个周期中特征出现的次数称为特征 密度，一个周程中周期密度的平均数为周程密度 金氏脉学主要是从时域方面对波形进行分析的，本文还运用现代数字信号 处理技术从频域和时频方面对脉搏波进行分析，得到了比较好的效果 图i - i 脉点与人体器官对应图 i 3 脉图的基本结构和意义 脉图1 由升支和降支组成。升支和降支组成主波，降支上有一切迹称降中 峡，主波和降中峡之间往往出现重波前波，又称潮波，紧接降中峡出现的重搏 波又称降中波以上的波和峡构成脉图的主要成分( 见图卜2 ) 4 山东大学硕士学位论文 叫5 | 一6 叫 1 主波2 重波前波3 降中峡 4 重搏波5 升支6 降支 图卜2 脉图的基本结构 脉图是脉管波动的轨迹，它主要综合了心脏射血活动和脉搏沿血管树传播 途中带的各种信息，因此，脉图上的拐点都有一定的意义升支左心室开始收 缩，主动脉瓣开启，主动脉因为射血而压力迅速上升。降支在左心室射血后期， 由于射血速度减慢，主动脉根部流入血量低于向外周流出的血量时，压力随之 下降，主动脉管弹性回缩所成。三支形成脉图主波幅值和形态重波前波是出 现在降支上的一个波，其形成是由主动脉根部的初试波向外周传播时，受到外 周因素的影响而产生返折波的多次叠加所致重波前波出现的时间及幅值，主砧t 要与动脉管壁张力、弹性和外周阻力等因素有关降中峡出现在主动脉瓣关闭 的瞬间，反映心脏舒张期起点的主动脉压力，降中峡的幅值，受外周阻力和主 动脉瓣功能的影响。以上是从生理学原理认识脉图的基本生理含义 1 4 项目来源 本课题为基于合作项目所做，合作者为：淄博科峰智能测控仪器开发有限 公司。该公司良好的实验条件对课题研究起了很大的帮助 1 5 本论文的主要工作 近几十年来，由于广大中医工作者和工程技术人员的协作努力，中医脉诊 客观化的工作取得了令人瞩目的成就但是近年来，该方面的工作却进展不大， 主要是中医理论的模糊性，给中医客观化造成了一定的难度，本文基于以现代 医学理论为基础的金氏脉学为平台，并利用现代数字信号处理的理论，进行系 统建立和脉搏分析，为中医脉象研究引入了新的内容。本论文的主要工作包括 以下几个部分： 1 基于金氏脉学的脉搏采集系统设计 本文基于金氏脉学理论，综合应用现代检测技术与信号处理理论，设计了 5 山东大学硕士学位论文 独特的脉搏分层测量系统，克服了原先脉象仪的单点单面采样，实现了自动多 层面信息采集，取得了初步成果 2 脉搏波的预处理 ( 1 ) 利用小波变换的多分辨率分析，滤除基线漂移。 ( 2 ) 利用本文提出的一种新的基于m e y e r 小波的自适应滤波器，进行基线 的消除，取得了较好的结果，并与小波滤波器的滤波结果相比较，具有更好的 结果。 3 脉搏波分析与特征提取 基于所采集的脉搏波，利用金氏脉学理论以及现代数字信号处理的方法， 进行了时域，频域以及倒谱方面的研究，并把小波包一能量谱的方法应用于脉 搏波的能量分析中，具有一定的创新性。并提取了能反映脉搏波实质的时域和 频域指标 4 脉象的识别 根据所提取的特征，利用支持向量机进行识别，取得了一定的效果 6 山东大学硕士学位论文 第二章脉搏采集分析系统的结构 2 1 系统简介及框图 我们设计的采集系统主要完成脉搏的采集，波形显示，脉搏信号分析处理， 数据存储功能前端的低噪放大板自主设计完成，其主要功能包括：信号的放 大，加减压装置，电源指示后面的采集卡选择了p c i 2 0 0 0 数据采集卡，配合 v c + + 进行数据的采集、处理、分析、脉形识别的实现。系统的框图如下所示： b 昏园 图2 - 1 脉搏采集分析系统框图 2 2 各功能模块之间的接口 1 传感器与放大板的接口设计1 2 l 2 放大板 3 放大板与p c i 2 0 0 0 的接口设计 ) ) + ( 绿) 一 ( 蓝)恤嘿器器 啦位 v v 感感 二= 蹶限 号；一绷空 叭地一一 ，j器剐，j 0朝盎?朝翕 山东大学硕士学位论文 1 2 3 4 5 6 7 8 p 2 p c i 2 3 脉搏传感器的选择 2 3 1 传感系统的研究状况 1 电机 2a d o 3a d 。= d i o 4a d 2 = d i l 5d o ( 加减压时= 1 ，采样时或不加减压时= 0 ) 6d 。( 加压= 1 ，减压= o ) 7 空 脉诊仪的研制中差别最大和最活跃的就是传感器系统的设计。近年来， 1 国外对脉搏的研究方法，大多是把适当的换能器置于被测部位，将脉 搏的振动转换为电信号，再输入放大器，将微弱的病理信号用记录仪记录或输 入计算机处理。石山仁等用手术的胶皮手套，把半导体应变计贴于手指部位， 作为检测压脉搏的方法日本藤田六郎研制出不接触脉诊部位就能测出最大脉 搏的光电管容积脉诊仪，后用日本光电k k 超声波脉诊仪进行了实验，证实了 作者提出的存在1 0 种体型的可能性，同时确认在脉诊部位有五行循环的存在。 冈田藤用陶瓷压力传感器，开发出适于浮、中、沉各压力等级的元件，并用此 传感器纪录了脉象对应的脉形，分析后得到较好的效果 ” 2 国内近1 0 年来，已经研制了多种脉诊传感系统，有机械式、压电式、 光电容积式等多种，其中以压电式较为成熟和实用，它的传导方式又有固体、 气压、液压传导等，并且采用了压电晶体、半导体应变片、高分子压电薄膜和 液态可变电阻等压电材料。郑行一研制出一种多维脉象检测系统，在寸、关、 尺三部的不同位点，同时描记出多道压力脉图，对脉搏进行多维分析。胡家宁 等研制了三头式仿中医脉象传感器，并进行了临床试验，得到较好的效果。此 外，柳文仪等用二维及彩色多普勒的方法直接观测脉管管径，被认为是对脉象 的客观化和科学化的新方法 但上述所有方法的缺点是对脉管的分层测量方面没有实现自动连续测量， 记录或计算机系统没有实现对传感加压部件的自动控制，完全是靠医生的操作 经验，使测量结果依赖不同的临床操作有很大的变化，因此系统误差过大而不 能l 临床应用，这就大大限制了脉诊仪的客观化，使临床应用效果不理想本课 题采用自动加减压执行器控制传感器，实现了自动连续测量，获得较好效果 8 山东大学硕士学位论文 2 3 2 本课题选择的传感器及技术指标 本课题选择医用微压力传感器b p 0 1 型脉搏传感器 主要技术参数为： 灵敏度5 m v l o g 5 v ( 6 - 7 m y ) 非线性 1 0 0 0 9 f 2 4 前端放大、加减压板的设计 2 4 1 低噪放大部分 1 主要技术参数为： 放大器c m r r ：l o o d b 短路噪声：5 州 采集精度：1 2 b i t 放大器输入阻抗：1 0 0m q 放大倍数：1 0 0 0 0 ( 可程控) 。 采样速率：2 k 一8 k 可调 2 主要电路设计【t 3 , t 4 选用t l 0 8 4 放大器，并根据实际的需要进行一定的外围设计功能电路 图如图2 - 2 所示： 图2 - 2 脉搏放大电路 9 山东大学硕士学位论文 一一 2 4 2 加减压控制部分 1 框图如下： 2 2 0 v 市电 图2 - 3 自动加减压控制框图 2 控制端口及逻辑 计算机：开关量d 。 d i 控制逻辑为 d o d 11 0l 0 0 模拟量 a d 。 a d i a d 3 o 控制加压电机 控制减压阀 加压 保持压力 减压 脉博信号( 士5 v ) 静压力( 士5 v ，无压为0 v ，加压可到5 v ) 电机工作信号 3 主要电路设计 控制电机的加减压，以获取合适的脉搏波形，如图2 - 4 ( a ) ，2 - 4 ( b ) 所示 一坐查丕兰堡主兰垡堡壅 图2 4 ( a ) 电机控制部分 p 2 p 2 图2 4 ( b ) 电机控制部分 山东大学硕士学位论文 2 。5p c i 2 0 0 0 数据采集卡简介 2 5 i 硬件介绍 p c i 2 0 0 0 数据采集卡是从北京市阿尔泰科贸有限公司购买。p c i 2 0 0 0 卡是 一种基于p c i 总线的数据采集卡，可直接插在i b m p c a t 或与之兼容的计算 机内的任一p c i 插槽中，构成实验室、产品质量检测中，b 等各种领域的数据采 集、波形分析和处理系统，也可构成工业生产过程监控系统p c i 2 0 0 0 板上装 有1 2b i t 分辨率的a d 转换器，为用户提供了1 6 双3 2 单的模拟输入通道。 输入信号幅度可以经程控增益仪表放大器调整到合适的范围，保证最佳转换精 度。程控增益可选择i 、2 、4 、8 ( p g a 2 0 3 ) 或1 ，1 0 ，1 0 0 、1 0 0 0 ( p g a 2 0 2 ) 倍，a d 转换器输入信号范围5 v 、i o v 、o i o v 3 2 位p c i 总线，支持p c i 2 2 协议，真正实现即插即用 f p g a 接口芯片设计，具有极高的保密性，特别适合o e m 合作 i o o k h z l 2 位a d 转换器 3 2 通道单端模拟输入或1 6 路双端模拟输入 支持软件查询方式、中断方式，两种方式的传输率均可达l o o k 1 k 深度的f i f o 保证数据的完整性 1 6 路开关量输入，1 6 路开关量输出 ，程控增益选择：i 、1 0 、1 0 0 ，1 0 0 0 或1 、2 ，4 、8 倍 2 5 i i 性能及技术指标 i p c i 局部总线性能 p c i 总线宽度3 2 位，同步工作频率可达到3 3 1 1 1 z ，最高传输速率为1 3 2 i b s 使用方便，能够实现自动配置，实现设备的即插即用 可靠性高，标准中考虑了负载容限，即使扩展卡超过了负载的最大值，系 统也能正常工作 p c i 提供的数据和地址奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性 2 模拟信号输入部分 模拟通道输入数：3 2 路单端或1 6 路双端输入 模拟输入电压范围：5 v 、l o v 、o + i o v 模拟输入阻抗：1 0 0 m q 模拟输入共模电压范围： 2 v 程控放大器增益范围：l 、2 、4 、8 ( p g a 2 0 3 ) ( 本板卡所具有) 或i 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 倍( p g a 2 0 2 ) 放大器建立时间： 2 u s 山东大学硕士学位论文 放大器增益误差性：0 0 5 3 a d 转换电路部分 a d 分辨率：1 2 b i t ( 4 0 9 6 ) 非线性误差：i l s b ( 最大) 转换时间；l o u s 系统测量精度：0 1 4 开关量输入输出部分 1 6 路数字量输入、1 6 路数字量输出分别经过两个2 0 脚扁平 电缆插座x s 2 、x s 3 引出。 数字端口满足标准t t l 电气特性： 输入t t l 电平，吸入电流小于o 5 毫安。 输出t t l 电平，最大下拉电流2 0 m a ，上拉电流2 6 毫安。 数字量输入最低的高电平：2 v 数字量输入最高的低电平：0 8 v 数字量输出最低的高电平：3 4 v 数字量输入最高的低电平：0 5 v 5 计数器及a d 采样率 计数器：8 2 5 4 a d 采样通过率：i o o k h z 6 f i f o 存储器 深度：i kw o r d s 宽度：1 2 b i t s 标志；满、空、半满 复位：写偏移地址0 x 2 9 0 2 5 1 2 元件位置图、信号输出插座和开关跳线选择定义 1 主要元件布局图 如图2 5 所示，如下是主要元件说明： x s i ：模拟量信号输入引线插座 x s 2 , - 开关量输入信号引线插座 x s 3 , 开关量输出信号引线插座 r p i ：放大器满度调整电位器 r p 2 ：放大器零点调整电位器 r p 3 ：a d 电路单极性零点调整电位器 r p 4 ： d 电路双极性零点调整电位器 山东大学硕士学位论文 r p 5 ：a d 电路满度调整电位器 x f l 、x f 2 ：模拟电压输入量程选择 x f 3 、x f 5 ：模拟电压输入单端、双端选择 x f 4 ：p c i 信号环境选择 x f 6 ：8 2 5 4 通道连接选择 图2 - 5p c i 2 0 0 0 主要元件布局图 2 短路套设置 ( i ) 模拟信号输入方式选择 单端输入方式：( 本课题选择此种输入方式) 4 x f 3 叵匡匡噎围 x f 5 ( 2 ) 模拟信号输入量程选择 罩 一一 坐查奎兰堡圭堂垡丝奎 x f 2 画 模拟量输入范围为0 v i o v 的选择图 _ 圃 x f 2 x f l 模拟量输入范围为一5 v + 5 v 的选择图( 本课题所选) 画 x f 2 x f l 模拟量输入范围为4 - i o v 时的选择图 ( 3 ) 硬件触发频率选择 在p c i 2 0 0 0 板上，8 2 5 4 的通道0 作为触发a d 转换的通道，用x f 6 跳线 选择硬件触发频率，当1 和2 连接时( 见图2 - 6 ) ，8 2 5 4 的通道0 的c l k o 端为 2 m 时钟频率，o u t o 的输出触发a d 转换，触发频率在4 8 8 h z l o o k h z 若用 户需要使用更低频率时，可将2 和3 连接，8 2 5 4 通道2 的o u t 2 输出端接通道 0 的c l k o 端( 见图2 7 ) 珊囤 图2 - 6a d 转换触发频率在4 8 8 h z i o o k h z ( 本课题所选) 山东大学硕士学位论文 同 x f 6 唰 图2 7 d 转换触发频率在4 8 8 h z 以下 ( 4 ) p c i 信号环境选择 p c i 电气定义了5 v 和3 3 v 两种信号环境，这使5 v 和3 3 v 元件在技术上 不致发生混乱5 v 板被设计成只能在5 v 信号环境下工作，同时也只能插入5 v 的接插件中；同样的，3 3 v 板被设计成只能在3 3 v 信号环境下工作，同时也 只能插入3 3 v 的接插件中。p c i 2 0 0 0 是一款通用板，用户通过正确的设置x f 4 ， 就既可以使它工作在3 3 v 信号环境( 见图2 - 8 ) ，又可以使它工作在5 v 信号 环境( 见图2 - 9 ) 图2 - 9p c i 2 0 0 0 工作在5 v 信号环境( 本课题所选) 2 5 2 软件介绍 2 5 2 1 软件支持 提供w i n d o w s 9 5 9 8 n t 下的多种语言的驱动，具有采集、显示、存盘、数 据回放等功能。 2 5 2 2 驱动程序功能特点 1 6 1 数据传输与数据处理相互独立 2 连续不问断大容量采集存盘 3 后台工作方式 4 与设备无关性 5 驱动程序坚固性 山东大学硕士学位论文 6 驱动程序均采用动态虚拟技术( w i n d o w s9 5 ) ，微内核代码( w i n d o w s n t ) ，因此可动态装载和卸载，而且可以重入，即可实现多道任务同时访问硬 件设备的功能。 7 高效与灵活兼备 8 多语言编程环境 本系统提供v i s u a lc + + 、c + + b u i l d e r 、v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 、l a b v i e w 、 l a b w i n d o w s c v i 的函数接口，本课题基于v i s u a lc + + 的优点，以及对此开发 语言比较熟悉，故选择v c + + 为开发上位机的实际采集、显示、处理程序 9 动态库 2 5 3p c i 2 0 0 0 即插即用设备操作函数接口介绍 表2 - 1 接口函数列表( 每个函数省略前缀“p c i 2 0 0 0 ”) 。 函数名函数功能 备注 p c i 通用函数 c r e a t e d e v i c o创建p c i 设备对象上层及底层用户 g e t d e v i c e c o u n t 取得同一种p c i 设备的总台数 上层及底层用户 l i s t d e v i c e列表所有同一种p c i 设备的各种配上层及底层用户 置 r e l e a s e d e v i c e关闭设备，且释放p c i 总线设备对上层及底层用户 象 程序方式 d 读取函数 i n i t d e v i c e p r o a d 初始化p c i 设备上的a d 部件准备传 上层用户 输 r e a d d e v i c e p r o a d - n o t e m p t y连续读取当前p c i 设备上的a d 数据 上层用户 g e t d e v s t a t u s a d a l f 取得当前p c i 设备f i f o 半满状态 上层用户 r e a d d e v i c e p r o a d h a l f连续批量读取p c i 设备上的a d 数据 上层用户 r e l e a s e d e v i c e p r o a d 释放设备上的a d 部件 中断方式a d 读取函数( 唯有此种方式采用强制二级队列缓冲和动态链表技术) i n i t d e v i c e i n t a d 初始化p c i 设备a d 部件，准备传输上层用户 r e a d d e v i c e i n t a d 连续批量读取p c i 设备上的a d 数据上层用户 r e l e a s e d e v i c e i n t a d 释放设备上的a d 部件上层用户 开关量简易操作函数 s e t d e v i c e d o开关输出函数 上层用户 g e t d e v i c e d i 开关输入函数 上层用户 山东大学硕士学位论文 p c i 总线内存映射寄存器操作函数 o e t d e v i c e a d d r 取得指定p c i 设备寄存器操作基地底层用户 址 w r i t e r e g i s t e r b y t e 以字节( 8 b i t ) 方式写寄存器端口 底层用户 r i t e r e g i s t e r w o r d 以字( 1 6 b i t ) 方式写寄存器端口 底层用户 w r i t e r e g i s t e r u l o n g 以无符号双字( 3 2 b i t ) 方式写寄存底层用户 器端口 r e a d r e g is t e r b y t e 以字节( s b i t ) 方式读寄存器端口底层用户 r e a d r e g is t e r w o r d 以字( 1 6 b i t ) 方式读寄存器端口底层用户 r e a d r e g i s t e r u l o n g 以无符号双字( 3 2 b i t ) 方式读寄存 底层用户 器端口 辅助函数( 硬件参数设置、保存、读取函数) 原型说明 l o a d p a r a m e t e r从w i n d o w s 系统中读入硬件参数上层用户 s a v e p a r a m e t e r往w i n d o w s 系统写入设备硬件参数 上层用户 注： 上层用户：有些用户可能根本不关心硬件设备的控制细节、只关心a d 的 首末通道、采样频率等，然后就能通过一两个简易的采集函数便能轻松得到所 需要的a d 数据。这方面的用户称之为上层用户 底层用户：还有一部分用户不仅对硬件控制熟悉，而且由于应用对象的特 殊要求，则要直接控制设备的每一个端口，这是一种复杂的工作，但又是必须 的工作，则把这一群需要直接跟设备端口打交道的用户称之为底层用户本课 题应用属于底层用户 2 5 4 应用驱动程序时应注意的问题 由于应用程序是用v c + + 开发的，必须符合驱动程序的要求，具体设置以 及要求如下： 首先，必须在源程序中包含如下语句： # i n c l u d e “c ：a r t p c i 2 0 0 0 i n c l u d e p c i 2 0 0 0 h ” 注：以上语句采用默认路径和默认板号，应根据板号和安装情况确定 p c i 2 0 0 0 h 文件的正确路径，当然也可以把此文件拷到源程序目录中。 其次，还应该在v i s u a lc + + 编译环境软件包的p r o j e c ts e t t i n g 对话框 的l i n k 属性页中的o b j e c t 几i b r a r ym o d u l e 输入行中加入指令 c ：a r t p c i 2 0 0 0 p c i 2 0 0 0 l i b 。 注：以上语句采用默认路径和默认板号，应根据板号和安装情况确定 山东大学硕士学位论文 p c i 2 0 0 0 l i b 的路径，当然也可以把此文件拷到源程序目录中。 由于驱动程序和相关接口动态库的特点，没有加任何调试代码，因此在使 用v c 接口的时候应使用发行版本进行源代码编译( w i n 3 2r e l e a s e ) ，而不应 该使用调试版本( w i n 3 2d e b u g ) 。具体方法是在源代码编译前，执行b u i l d 总 菜单中的s e ta c t i v ec o n f i g u r a t i o n 子菜单命令，便可实现其发行版的设置， 然后再编译，即可生成发行版的应用程序。 2 6p c 机采集、显示与处理程序 2 6 1 概述 本课题采用v c + + 进行应用程序的开发，主要功能包括：采集、显示、存 储、分析( 时域，频域) 、识别、诊断结论，实际应用程序已经开发出，界面 如图2 - 1 0 所示。 2 6 2 所涉及的主要类 图2 1 0 脉诊仪主界面 1 c l a s sc s h o w d a t a f r a m e ：p u b l i cc m d i c h i i d w n d ，主要完成主界面的 一些处理任务。 2 c l a s sc s h o w d a t a d o c ：p u b l i cc d o c u m e n t ，主要完成脉搏历史数据的 保存。 3 c l a s sc s h o w w a v e v i e w ：p u b l i cc s c r o l i v i e w ，主要完成脉搏波的实 时显示 1 9 坐变查兰堡主堂垡丝苎 2 6 3 主要变量 1 全局变量 l o n gr e a d s i z e w o r d s ： 读入的数据长度 2 s t d a f x h 中定义的常量 用户填加部分 # i n c l u d e p c i 2 0 0 0 h 包含驱动程序接口 定义用于控制数据位数及量程的常数 # d e f in el s b _ c o u n t4 0 9 6 0 l s b 码数量 # d e f i n el s b h a l f2 0 4 8当取偏移码时，其原点位置 # d e f i n ev o l t r a n g e1 0 0 0 0 0 量程( m y ) ( 注意必须带小数) 定义其他常量 # d e f i n ed e v i c e n a m e p c i 2 0 0 0 定义设备名 # d e f i n em a x f r e q u e n c e11 0 0 0 0 最高频率 # d e f in em a x _ s e g m e n t3 2 t y p e d e fs t r u c tf i l eh e a d e r i n t v e n d e r i d ： u i n tf i r s t c h a n n e l ： u i n tl a s t c h a n n e l ： u i n tt i m e r f r e q u e n c e ： d w o r df r e q u e n c e ： c h a rc a r d t y p e i o o ： f i l e _ h e a d e r ，* p f i l e _ h e a d e r ；文件头信息 3 s h o w d a t a d o c c p p 中定义的变量 h a n d l eh d e v i c e ： 创造设备的句柄 # d e f in em a x _ s e g m e n t3 2 w o r di n u s e r r e g i o n m a x _ s e g m e n t 1 6 3 8 4 ： 缓冲队列 i n tc u r r e n t l n d e x ： a d 数据处理线程当前缓冲区索引号 i n tr e a d l n d e x ： a d 数据采集线程当前缓冲区索引号 i n ts e g m e n t c o u n t s ： 记录共有多少段缓冲区没有来得及处理 i n t m _ p r o c e s s g r a p h i c m o d e ；为1 ，波形显示 i n tn p r o c e s s m o d e ： 数据处理方式l ：数字显示2 ：波形显示 3 ：数据存盘 h a n d l eh e v e n t ： 采集线程与绘制线程的同步信号 山东大学硕士学位论文 2 6 4 数据采集线程与显示线程 在脉搏的采集过程中，由于病理特征就蕴涵在波形之中，如果在采集