（物理电子学专业论文）基于PXI总线的SpOlt2gt功能测试系统的研究和开发.pdf

摘要 基于p x i 总线的s p 0 2 功能测试系统的研究和开发 摘要 本文主要对在工业生产环境下基于p x i 总线技术的脉搏血氧饱和度的功能测试 系统的研究和开发。 首先，分析了脉搏血氧饱和度( s p 0 2 ) 的临床意义及测试的基本原理，在此基础 上明确了在工业化生产中对监护设备的功能测试的重要性。其次，对当前测控领域的 先进技术进行分析和研究，在充分考虑了性价比以及实际需求的情况下，利用p x i 总线技术和虚拟仪器技术组建测试系统。系统硬件组成主要包括p x i 系统、脉搏血氧 饱和度模拟器、接口电路。最后，基于美国n i 公司的应用软件l a b w i n d o w s c v i 进 行了软件系统的设计和开发，采用了模块化设计方法，实现了模块控制、数据采集、 数据处理、生成报表等。其中数据处理部分将针对测试需求开发相应的处理程序。 本测试系统对实际的产品进行t n 试，测试结果表明研究设计的脉搏血氧饱和度 功能测试系统满足实际测试需求，硬件组建合理，性价比高，软件具有良好的人机界 面，能够符合实际操作人员的习惯。 关键词：脉搏血氧饱和度，虚拟仪器，p x i 总线，软件编程，l a b w i n d o w s c v i a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ar e s e a r c ha n dd e s i g nh a v eb e e nm a d eo nt h ef u n c t i o n a lt e s t s y s t e mo fs a t u r a t i o no fp u l s eo x i m e t r y ( s p 0 2 ) b a s e do nt h ep x ib u st e c h n o l o g y i n i n d u s t r i a lp r o d u c t i o ne n v i r o n m e n t f i r s t ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es a t u r a t i o no fp u l s eo x i m e t r y ( s p 0 2 ) c l i n i c a l s i g n i f i c a n c ea n dt h eb a s i cp r i n c i p l e s o fm e a s u r e m e n t ，t h ei m p o r t a n c eo ft h em o n i t o r f u n c t i o n a lt e s ti sp r o p o s e di nt h ei n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o ne n v i r o n m e n t s e c o n d l y , b a s e d o nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yi nt h ea r e ao ft h et e s ta n dc o n t r o l ， t h et e s ts y s t e mi ss e tu pu s i n gp x ib u sa n dv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o nt e c h n o l o g ya f t e r c o n s i d e r i n gt h er a t i oo fp e r f o r m a n c et op r i c e 、a c t u a ln e e d t h eh a r d w a r eo ft h et e s ts y s t e m i n c l u d e st h ep x is y s t e m ，t h es a t u r a t i o no fp u l s eo x i m e t r ys i m u l a t o ra n dt h ei n t e r f a c e c i r c u i t l a s t l y , t h et h e s i su s e st h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r el a b w i n d o w s c v if r o mn a t i o n a l i n s t r u m e n t sc o m p a n yt od e s i g na n dd e v e l o pt h es o f t w a r es y s t e m ，a n dt h es o f t w a r es y s t e m c h o o s e st h em o d u l a r i z e dd e s i g n t h es o f t w a r es y s t e mh a st h ef u n c t i o no fm o d u l ec o n t r o l ， d a t ac o l l e c t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，r e p o r tg e n e r a t i o na n ds oo n t h ed a t ap r o c e s s i n gp a r t n e e d st od e v e l o pt h ep r o c e s s i n gp r o c e d u r e sa c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n to ft e s t t h et e s ts y s t e mh a sb e e nu s e dt ot h e 矗c n l a lp r o d u c t s t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e f u n c t i o n a lt e s ts y s t e mo fs a t u r a t i o no fp u l s eo x i m e t r yh a sm e tt h ea c t u a lt e s td e m a n d ，a n d t h eb u i l d i n go fh a r d w a r ei sr e a s o n a b l e ，h i g hr a t i op e r f o r m a n c et op r i c e t h es o f t w a r e s y s t e mh a sg o o dm a l l m a c h i n ec o n v e r s a t i o ni n t e f f a c e ，a n di tm e e t s w i t ht h ea c t u a lo p e r a t o r c u s t o m k e yw o r d ：s a t u r a t i o no fp u l s eo x i m e t r y , v i r t u a l i n s t r u m e n t ，p x ib u s ，s o f t w a r e p r o g r a m ，l a b w i n d o w s c v i 目录基于p x i 总线的s p 0 2 功能测试系统的研究和开发 表1 1 1 图1 1 1 图1 1 2 图1 1 3 图1 1 4 图1 1 5 图2 2 1 图2 2 2 表3 2 1 图3 - 3 1 图3 4 1 图3 4 2 图3 4 3 表3 4 1 图3 4 4 表3 4 2 图4 2 1 图4 3 1 表4 4 1 图4 5 1 图表目录 低氧血症的临床副效应2 氧合血红蛋白( h b 0 2 ) 和血红蛋白( h b ) 的光吸收曲线3 脉搏血氧仪所用的探头使用示意图4 光电检测器获得的信号的成分4 红光r 红外光i r 信号与血氧饱和度之间的关系5 脉搏血氧仪的电子学结构框图5 脉搏血氧饱和度功能测试系统结构框图1 0 l a b w i n d o w s c v i 事件流程图1 3 脉搏血氧饱和度模拟器主要性能对比1 7 p x i 系统示意图1 7 i n d e x 2 电模拟信号示意图1 9 m a s i m o 和n e l l c o r 模块的接口2 0 脉搏血氧饱和度指夹探头信号示意图2 1 主要模拟信号接口对比2 1 接口电路原理图2 2 s p 0 2 模拟信号传输路径2 2 测试系统基本框架示意图2 5 测试系统面板图2 5 r s 2 3 2 函数库主要函数功能2 8 测试报告示意图3 8 v 。声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：沙8 年6 月i o 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：v 吣p 年b 月l j 日 硕士论文 基于p x i 总线的s p 0 2 功能测试系统的研究和开发 1 绪论 脉搏血氧饱和度( s p 0 2 ) 在临床中具有非常重要的意义，在许多生理和临床监 护过程中都需要周期性地采样和计算血氧饱和度，例如在对心脏病人的治疗过程中、 麻醉手术或氧疗过程中及时了解病人的血氧含量是十分重要的。目前市场上的主流监 护仪已经基本上都拥有了对s p 0 2 的监护功能。但是传统的生产厂商对s p 0 2 的功能测 试方法基本还是停留在手工测试阶段，这种传统的测试方法中人为的因素与产品的质 量有着相当大的关系，而医疗设备的质量将直接影响到患者的生命。因此，如何对产 品的s p 0 2 功能进行自动化测试已经成为当前监护设备行业最为关注的话题之一。近 年来随着计算机技术、总线技术和网络技术的飞速发展以及工业自动化测试的需求牵 引，基于p x i 总线的测试系统应运而生，p x i 总线在数据采集、数据传输以及数据处 理方面的诸多优点满足了现代化测试的需要。 1 1s p 0 2 的临床意义以及测量原理 目前在监护仪临床监护的生命体征参数中血氧饱和度是一个重要的参数，主流的 血氧饱和度检测大多采用脉搏血氧饱和度( p u l s eo x i m e t r y ) 技术，所测量的脉搏血氧饱 和度( s p 0 2 ) 是指动脉血液中与氧结合的氧合血红蛋白( h b 0 2 ) 的容量占全部可结 合的血红蛋白( h b 0 2 + h b ) 的百分比，即血液中血氧的浓度。 1 1 1 s p 0 2 的临床意义 由于低氧血症可引起一系列的临床副效应，如见表1 1 1 所示，对氧合的及时、 准确监测具有重要的意义。传统的血氧饱和度的测量般都是有创的，而且测量出来 的血氧饱和度和提取时的血液样本有着很大的关系，但是氧在人体血液中由于人自身 组织的吸收消耗以及血液的流动会时刻发生变化，因此如何对血氧饱和度进行实时监 测就显得尤其的重要。从上世纪8 0 年代初发展起来无创动脉血氧饱和度的测量就是 一种革命性的监测技术，其中脉搏血氧饱和度测定法( s p 0 2 ) 已经成为评估患者动脉 血氧情况的安全可靠、简便易行的方法。在临床中，s p 0 2 已经被作为第五生命指征， 特别在麻醉、手术以及重症监护室( i n t e n s i v ec a r eu n i t ，简称i c u ) 和麻醉恢复室 ( p o s t a n a e s t h e t i ci c u ，简称p a c u ) 中，通过s p 0 2 可及时评价血氧饱和度或亚饱和 度的状态，了解机体氧合功能，尽早发现低氧血症，从而提高麻醉和重症患者的安全 性，有效预防和减少手术期和急症期的意外死亡【3 】。 l 绪论硕二i j 学位论文 表1 1 1 低氧血症的临床副效应 低氧血症与伤口愈合感染氧气在伤口愈合及感染中起重要作用。组织氧供水平低会削 弱伤口的愈合及对感染的抵抗力，导致住院时间延长及或 健康护理费用增加。 低氧血症与心肌缺血术后低氧血症与病人心肌缺血及心律失常有关，无论是否之 前已存在心脏疾病。心肌缺血的危险性与低氧血症的程度及 持续时间有关，可导致心梗发作及随后的猝死。 低氧血症与脑功能低氧血症损害脑功能可有多种表现形式，包括短期记忆丧 失、意识模糊、识别功能障碍或永久性损害。在之前已存在 循环问题的病人，低氧血症会导致脑缺血或中风，进而死亡。 低氧血症与无益的健康花费低氧血症的后果会造成痊愈延迟及其它合并症。这些会延长 住院时间，重新接受更昂贵的监护，需要额外的健康监护， 减弱病人器官的功能，导致昂贵的治疗不当的诉讼。 1 , 1 2 s p 0 2 的测量原理 脉搏血氧饱和度是根据郎伯一比尔定律( l a m b e r t - - b e e rl a w ) 采用光电技术来 进行血氧饱和度的测量的。当一束光打在某物质的溶液上时，透射光强i 与发射光强 i o 之间有以下关系： i = i o l o 一妃l ( 1 1 ) 其中i 和i o 的比值的对数称为光密度d ，因此上式也可表示成： d = l g ( i i o ) = - k c l ( 1 2 ) 这里，c 是溶液的浓度，l 为光穿过溶液的路径( 长度) ，k 是溶液的光吸收系数。 若保持路径l 不变，溶液的浓度便与光密度d 成正比。 血液中的血红蛋白( h e m o g l o b i n ，h b ) 和氧合血红蛋白( o x y h e m o g l o b i n ，h b 0 2 ) 对不同波长的光的吸收系数是不一样，如图1 1 1 所示，在波长为6 0 0 - - 7 0 0 n m 的红 光( r e d ) 区，h b 的吸收系数远比h b 0 2 的大；但在波长为8 0 0 1 0 0 0 n m 的红外光( i r ) 区，h b 的吸收系数要比h b 0 2 的小：在8 0 5 n m 附近是等吸收点【4 】。 2 硕士论文 基于p x i 总线的s p 0 2 功能测试系统的研究和开发 x 口 ， 蚕 詈 u 4 图1 1 1 氧合血红蛋白( h b 0 2 ) 和血红蛋白( h b ) 的光吸收曲线 利用上述特点就可以测量血红蛋白的饱和度。假定h b 0 2 和h b 在波长为h 处的 吸收系数分别为a ，和a 2 ，那么就有 d 羽= 一q l c 。+ a 2 ( c q 妣 ( 1 3 ) 其中c l 为h b 0 2 的浓度，c 为全部血红蛋白的浓度。由此可计算血氧饱和度： 印q2 詈2 雨1 ) 丽2 1 一两a 2 q 4 c l 口l 一口2j c ll 口l 一口2 j 同理，如以波长为池进行测量，此时吸收系数为b l 和b 2 ，就有 印q = 号= 而d 2 2 一南 a 5 y 在以上两式中消去c 和l ，可得 勋q 5 万可a z q 厕- b ( 1 6 ) 其中d ：丝 一b i 取口1 口22 口，并且令： 彳= 酾b b 2 南 则印0 i = 彳+ 召q ( 1 7 ) 对于确定的波长九l 和如，a 和b 是常数，九l 应选在h b 和i - i b 0 2 的吸收系数相近 的区段，由于考虑到发光二极管自身的误差，一般是选择在8 1 5 - - 9 4 0 n m 的范围内， 该区段内h b 0 2 的吸收率略大于h b 的吸收率，而且变化比较平坦。另一个测量波长 k 选在h b 的吸收率大于h b 0 2 处，通常选择6 6 0 n m ，因为在此附近两者之差有最大 3 j 学位论女 j 雌 毛细m 管 图112 脉搏血氧仪所用的探头使用示意图 脉搏血氧仪通常所用的探头使用时是套在手指上的，如图l12 所示。探头上面 部分固定了两个并列放置的发光二极管( l e d ) 分别发出波长为6 6 0 n m 的红光和 9 4 0 r t r n 的红外光。探头下面部分安置有光电检测器，它将透射过手指动脉血管的红光 和红外光转换成电信号。光电检测器检测到的光电信号强度与组织对光信号的吸收成 反比。人体的皮肤、肌肉、脂肪、静脉血、色素和骨骼等的光信号吸收系数是恒定的， 因此只影响光电信号中的直流分量；血液中的h b 0 2 和h b 浓度随着血液的脉动做周 期性的改变，囡此对光的吸收也周期变化( 交流分量) ，进而引起光电检测器输出的 信号强度随血液中的h b 0 2 和h b 浓度比做周期性变化，如图113 所示【6 】。 咖 望 罾 采 玎刮 图iio 光电检测器获得的信号的成分 从另一方面考虑，不同的个体和个体的不同部位对光的吸收也是不同，一般需要 使用标准化后的比值进行计算，即先求两种波长形成的脉动分量与直流分量的比值 ( a c d c ) ，直至标准化，再求红光r d 和红外光i r 吸收系数交流分量的比值，即 r ：竺里：a c , a d c , a ( 1 ” m r a c 。? d c ? ? r 和s p 0 2 之间呈线性关系如图11 4 ( a ) 所示，可以用线性回归方法求出待 定系数a 和b 。在红外和红光的信号幅度完全相同时的血氧饱和度是8 5 ，如图l14 ( b ) 所示。光电信号的脉动规律是和心脏的搏动一致的，因此检测出信号的重复周 4 婴主堡兰苎王! 型璺堡塑! 盟! 翌壁塑蔓墨竺塑! 窒塑茎苎 期，还可以确定出人体的脉率。习惯上将脉搏血氧仪所测得的血氧饱和度称为s p o z 以区别于用其他类型的血氧计所测得的结果【矧。 l i ；l 八八 八八 八八 a ，( b ) 图】i4 红光r ，红补光【r 信号与血氧饱和度之间的关系 1 _ 1 3 s p o ：的测量过程 典型的脉搏血氧仪的电子学结构图如图115 所示。探头中的光电检测器是光电 管，能产生正比于透射到它上面的红光和红外光强度的电流但是它不能完全地区分 这两种光。为此，一般需要用定时电路来控制两个发光二极管( l e d ) 的发光次序， 即：( i ) 红光l e d 开启；( 2 ) 红光l e d 关闭，红外光l e d 开启；0 ) 两个i e d 均关闭。 圉11 5 脉搏血氧仪的电子学结构框图 发光时序的频率为4 8 0 h z ( 工频6 0 h z ) 或4 0 0 h z ( 工频5 0 h z ) 。两个l e d 均熄 灭时，检测出环境光和干扰信号，从红光和红外光信号中减去环境光从而增强对环 境光的抑制能力。检测到的光电流信号被转换成电压信号，并经放大，滤波、信号基 线电平变换和去直流分量等信号调理过程后，输出至具有自动增益调整功能的电压 电流转换电路，然后由积分电路对信号积分，最终用a d 转换器转换成数字信号。 *”*ho l 绪论 硕士学位论文 微处理器对数字信号进行复杂的处理，例如数字滤波，计算两种光电信号的幅度， 求出s p 0 2 。为进一步减小患者移动的影响和提高读数的稳定性，通常还需要对所测 得的一系列s p 0 2 值进行加权移动平均。从脉动信号的重复率中还能计算出脉率，最 后将血氧饱和度和脉率值送到相应的显示器显示出来。使用者可以通过键盘控制仪 器，设定报警界限和完成其他操作【7 1 。 1 2 虚拟仪器与p x i 总线技术 现代科学技术的飞速发展使得测试工程师面临着许多的挑战，这些挑战中最为突 出的问题就是要用更少的资源来满足日益增加的测试要求。传统的测试方法在效率上 越来越显得无力，而特定的自动测试系统在测试的可延续性方面也面临着不小的障 碍。如何能够在提高测试效率的同时又能够保证测试的可延续性进而降低测试的成 本，这已经成为测试领域一个研究的热门话题。2 0 世纪8 0 年代由美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o m p a n y ，简称n i 公司) 提出的虚拟仪器思想就为解决这 些难题提供了一条道路。 1 2 1 虚拟仪器 所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用的计算机平台上，根据测试任务的需求来定 义和设计仪器的功能，其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器的功能。其基 本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能， 最终达到取代传统仪器的目的。充分发挥计算机强大的数据处理能力，解决过去由于 硬件制造工艺的限制而无法完成的仪器功能，由计算机编程实现传统仪器的测试与控 制任务，而且功能比传统仪器更加强大。虚拟仪器是综合运用了计算机技术、数字信 号处理技术、标准总线技术和软件技术，代表了测量仪器与自动测试系统的发展方向。 “软件即是仪器”反映了虚拟仪器的本质特征。 虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势。在高速度、高带宽和专业测试领域， 独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器 的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器 难以胜任的，甚至不可思议的工作。虚拟仪器与传统仪器相比的优点主要包括【ij ： 1 对输入信号的处理和计算可以更加复杂，且处理速度更快； 2 测试结果的表达方式更加丰富多样： 3 可方便地存储和交换测试数据，具有几乎无限的数据记录容量； 4 可通过多种现有的通信标准方便地用外设、网络及其他应用连接： 5 价格低而且可以重复利用，功能升级方便，技术更新快： 6 将所有的程控仪器的控制信息集成在虚拟仪器的软件模块中，用户无需专门 硕士论文 基于p x i 总线的s p 0 2 功能测试系统的研究和开发 查阅、学习仪器的程控方法和程控指令就可以对仪器进行操作； 7 计算机强大的图形用户界面( g u i ) 增强了仪器的结果显求功能； 8 自动化的测试过程，用户可自定义分析方式和接口，可扩展的功能函数库； 9 自动生成测试运行报告，高品质的打印功能等。 1 2 2p x i 总线技术 自动化测试始于2 0 世纪7 0 年代g p i b 技术的诞生。在经历了g p i b 、v x i 、p c i 和p c ie x p r e s s 后，于1 9 9 7 年9 月1 日，由美国n i 公司推出的一种全新的开放式、 模块化仪器总线规范p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 。p x i 是为了适应仪器 与自动测试系统用户日益多样化的需求而产生的。它将c o m p a c t p c i ( 坚固p c i ) 规 范定义的p c i ( p e r i p h e r mc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ，外部组件互连) 总线技术拓展为 适合于试验、测量与数据采集场合的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪 器体系结构。1 9 9 8 年p x i 系统联盟成立，联盟的宗旨是：推进p x i 与c o m p a c t p c i 在测量和自动化领域的应用，进行p x i 规范维护和版本控制，保证多厂商系统在机械、 电气和软件方面的互操作性。p x i 选择了p c i 总线规范作为实现的基础，保持了与工 业p c 软件标准的兼容性，使p x i 用户能够尽情地使用他们熟悉的各种p c 软件工具 和开发环境，包括台式p c 的操作系统、底层的器件驱动器、高级的仪器驱动器、图 形化a p i 等。p 定义了包括基于m i c r o s o f tw i n d o w s 9 5 、w i n d o w s 9 8 、w 洫d o w sn t 、 w i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w sx p 的系统软件框架，规定所有p x i 模块都应有完善的器 件驱动软件以利于系统集成。p x i 实现了v i s a 规范，不仅能够控制p x i 模块，也能 够控制v x i 、g p i b 及串行接口器件。因此可以说p x i 是将跨体系的软件产品完美地 应用于仪器领域的一种尝试。此外，p x i 产品填补了低价位p c 系统与高价位g p i b 和v x i 系统之间的空白。总之，直接把当今成为主流的p c i 计算机技术、m i c r o s o f t w i n d o w s 软件以及c o m p a c tp c i 模块结构巧妙地结合在起，在不牺牲测量指标以及 不增加开发费的情况下，推出具备更高性能和性价比的p x i 模块仪器系统，极大地满 足了不同层次用户对测试、测量、数据采集和工业自动化的应用需求，p x i 对于各种 便携式、台式等测试系统都是适宜的【8 】【2 3 1 。 1 3 本文的背景以及主要工作 当前s p 0 2 作为人的第五生命体征，对临床的指导意义越来越收到医疗界的重视， 在临床中的应用也越来越广泛。目前，主流的监护仪已经基本包括了该功能的测量和 监护，但是现在国内外主流的功能测试主要还是依靠测试人员的反复操作来验证产品 该功能的测量准确度和灵敏度。这种传统的测试方法虽然可以从基本上保证仪器的功 能，但是作为医疗设备的一项重要功能，它时刻关系着病人的生命安全，在测试过程 7 1 绪论硕士学位论文 中人为因素所导致的错误可能在临床中时刻危及到病人，并且人工测试也很难满足当 前大规模的工业化生产的需要，因此引用先进的科学技术来解决这个问题已经成为当 前监护仪生产厂家共同关心的问题。 由于虚拟仪器的诸多优点，加之p x i 总线所具有的大吞吐量、高数据传输、高可 靠性、良好的电磁兼容和抗干扰能力等优点，将基于p x i 总线的虚拟仪器技术引入 s p 0 2 功能自动化测试领域，开发一套完整的s p 0 2 参数功能测试系统，必将为工业化 生产提供有效、高效的技术解决途径。基于此，本文对组建p x i 总线虚拟仪器测试系 统进行了研究。 本文的主要工作内容有： 1 ) 针对测试任务做详细的需求分析，明确测试项目、测试指标、应用环境以及 系统未来的可扩展性和兼容性，在深入分析脉搏血氧饱和度参数的特点的基 础上，提出组建脉搏血氧饱和度自动功能测试系统的要求。 2 ) 从组建系统的角度出发，分析考虑组建p x i 测试系统的需求，分别从软件和 硬件两方面提出技术方案，设计系统的大致结构组成。在此基础上充分考虑 系统的兼容性、稳定性、功能扩展等论证工作。 3 ) 针对脉搏血氧饱和度参数的特点以及g e 本身产品的特点，对测试系统的组 建进行设计相应的硬件连接电路，以满足对产品的连接和测试功能。 4 ) 根据脉搏血氧饱和度的具体特点以及可扩展性提出数据采集系统中的机箱、 控制模块、数据采集卡等满足的各项性能指标，选择适当型号的n i 产品，并 进行系统设计。 5 ) 根据测试系统的总体方案要求，针对自动化测试的要求，编制p x i 测试系统 相应的软件。最后，通过一系列相应的试验以证明系统满足设计的需求。 硕士论文 基于p x i 总线的s p 0 2 功能测试系统的研究和开发 2 脉搏血氧饱和度测试系统的总体分析研究 2 1 概述 当前监护设备行业本身对单一的s p 0 2 参数的功能测试要求并不是很高，简单的 使用通用模拟器基本都能完成功能测试的要求。但是如何来满足工业化生产的要求以 及在监护设备组装过程中保证产品性能的有效一直是个急需测试工程师需要解决的 难题，单纯靠大量的操作人员来使用模拟器进行测量显然很难有效地保证测试的有效 性。因此需要设计一个合理的有效的方案实现测试的自动化，保证测试的有效性和可 靠性。 根据通用电气医疗系统的监护仪产品标准对脉搏血氧饱和度所提出的测量要求， 以及生产线大规模生产的需要，在本系统的总体分析以及设计过程中将充分考虑系统 的先进性、实用性，并同时保证系统的可靠性、稳定性和扩展性。 1 先进性【9 】 p x i 将台式p c 的性价比优势与p c i 总线面向仪器领域的扩展完善地结合起来， 形成了一种高性价比的虚拟仪器测试平台，p x i 这种新型的模块化仪器系统是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的，具有完整的硬件和软件相容规 范，通过增加用于多板同步的触发总线和参考时钟，用于进行精确定时的星型触发总 线，以及用于相邻模块间高速通讯的局部总线来满足试验和测试用户的要求。开放的 p x i 规范使得可以组成模块化的测试系统，它可以容易的整合多家厂商的测试系统。 p x i 规范也能把不同平台的仪器轻易的集成到p x i 的测试系统中。本系统选用基于 p x i 总线的虚拟仪器测试平台，具有了一定的先进性。 2 可靠性与稳定性 在系统的研究开发过程中，为了满足生产对测试设备的高可靠性及高稳定性的要 求，课题中对主要涉及的模块和相应的模拟器将选用成熟的并具有世界影响力的一线 品牌产品。在软件方面，将应用美国n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 测试平台开发软件， 以保证软件运行的可靠性和稳定性。 3 实用性 在系统设计时，尽量使用软件来自动完成测试的流程，最终给出简单的测量结果。 以此来尽可能的减少人员的操作，进而减小人为因素带来的测试误差或错误，保证医 疗设备产品的较高的质量性能和生产的高效性。 4 可扩展性 对于工业化生产上的测试设备而言必须在设计阶段就要考虑后续产品可能增加 的测试需求，在选定测试系统硬件组成时必须考虑系统的可扩展性。在本系统研究设 9 2 脉搏血氧饱和度测试系统总体分析研究硕士论文 计中，在选择模块化仪器后，还可以利用p x i 机箱的扩展插槽来增加或调整数据采集 模块和信号产生模块等来扩展系统的测试功能【2 i 】。 2 2 测试系统框图 脉搏血氧饱和度功能测试系统的总体框图如图2 2 1 所示，由模拟器、模拟器与 被测产品接口电路、被测产品、p x i 测量系统组成。 s p o z 模拟器 接口转换电路被测产品 丁 t 上 p x i 测试系统 jl 1r 输入输出设备 图2 2 1 脉搏血氧饱和度功能测试系统结构框图 在脉搏血氧饱和度功能测试过程中，由于被测产品自身型号配置上的差异会对测 试系统有进一步的兼容性要求，同时由于脉搏血氧饱和度测量传感器自身结构的局 限，在测试过程中很容易引入误差，为了能够满足这些要求，保证测试系统的精确性 必须在设计过程中充分考虑这一问题，引入接口电路来避免。脉搏血氧饱和度测试系 统主要通过数据采集卡或串口来发送控制信号和获得被测信号，进而计算和分析测试 结果。 2 2 1 测试系统硬件组成介绍 测试系统从硬件组成上区分主要包括以下四部分： 1 ) s p 0 2 模拟器：s p 0 2 模拟器主要用以产生脉搏血氧的模拟生物医学信号。在对 s p 0 2 进行功能测试时，将覆盖医疗设备的产品规格中对s p 0 2 所声明的测量 范围和测量精度，单纯地靠人的手指显然不能满足测试的要求，因此必须采 用专业的生物医学模拟器来产生模拟信号。同时为了组建自动测试系统，模 拟器必须能够被p c 控制。 2 ) 接口转换电路：当前作为世界顶尖的脉搏血氧监测的两个引导者m a s i m o 和 n e l l c o r 在全世界范围内都已经收到业内的认可。为了满足不同客户群的需求， g e 监护产品同时拥有了这两家的s p 0 2 监测模块。但是由于技术细节上的差 1 0 硕士论文 ：f p x l 总线的s p 0 2 功能测试系统的研究和开发 异，m a s i m o 和n e l l c o r 的接口电路不尽相同，为了能够同时适应这两种配置， 在自动测试过程中尽量减少系统组成复杂度，需要设计一个接口转换电路来 满足自动测试的需求。 3 ) p x i 测试系统：p x i 测试系统主要包括p x i 机箱和相应的模块化功能板卡。 p x i 测试系统主要的功能是控制s p 0 2 模拟器发出相应的模拟信号通过接口电 路传输给被测设备，然后测试系统读取被测产品的测量结果并进行数据的分 析和判断。 4 ) 输入输出设备：输入输出设备主要包括鼠标、键盘以及显示器，用以参数的 输入以及测试界面结果的显示。 2 2 2 测试系统软件介绍 在测控软件领域，目前有l a b w i n d o w s c v i 、l a b v i e w 、a g i l e w tv e e 等仪器开 发应用软件。下面对美国n i 公司的两款主要开发软件做简单的对比，以挑选最适合 本系统的开发软件平台。 l a b w i n d o w s c v i 是美国n i 公司推出的交互式c 语言开发平台，其功能和特点如 下【2 7 】【2 8 】： 首先，它是一种文本式编程语言，可以利用向导开发i v l ( i n t e l l e c t u a lv i r t u a l i n s t r u m e n t s ，智能虚拟仪器) 仪器驱动程序和创建a c t i v e x 服务器，如建立 l a b w i n d o w s c v i 与m a t l a b 之间的接口，调用m a t l a b 功能函数，运行m a t l a b 环境下 的程序，以实现l a b w i n d o w s c v i 与m a t l a 的混合编程，同时，它可以为其它工程开 发c 目标模块、动态链接库( d l l ) 和c 语言库等。 其次，它可以生成脱离l a b w i n d o w s c v i 开发环境的虚拟仪器，用户最终看见的 是和实际的硬件仪器相似的操作面板；具有强大的网络功能，支持常用的网络协议， 方便网络仪器、远程测控仪器的开发；对于经典数字信号处理技术，l a b w i n d o w s c v i 提供了用于仪器控制、数据采集和分析的交互式a n s i c 编译软件包，用于快速样机开 发的代码生成工具和内部编译器以及包含g p i b 、p x i 、v x i 、r s 2 3 2 4 8 5 等各种仪器通 讯总线标准的所有功能函数，从而使得不懂得总线标准的开发者也能够驱动不同总线 标准接口通信设备与仪器。 还有，l a b w i n d o w s c v l 本身不能提供运用于现代数字信号分析和处理技术的功 能函数，这就为测试过程增加更多的扩展功能。 总之，l a b w i n d o w s c v i 为熟悉c 语言的开发人员开发检测系统、数据采集系统、 自动测量系统、过程监控系统等虚拟仪器系统提供了一个理想的软件开发环境。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚 拟仪器工程平台) ，是美国n i 公司推出的一种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形 2 脉搏血氧饱和度测试系统总体分析研究 硕士论文 化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具。其功能和特点如下： 首先，它具有直观明了的前面板用户界面和流程图式的编程风格，设计者无需编 写任何文本格式的代码，是一种真正的工程师语言。 其次，对于经典数字信号处理技术，它提供了丰富的数据采集、分析及存储的库 函数及模块；提供了各种图形化的驱动程序，使不熟悉p c i 计算机总线、g p i b 总线、 v x i 总线、串口总线的使用者利用l a b v i e w 提供的图形化驱动程序也可以驱动上述各 种总线的i o 接口通信设备，实现对被测信号的输入、采集、放大和模数转换，从 而使用户设计的虚拟测试仪器可以做进一步分析和处理。 另外，l a b v i e w 还提供了和c 语言的接口、调用w i n d o w s 动态链接库函数( d l l ) 及实现多线程编程之类的高级功能。但是对于一些需要进行大量数据运算处理的复杂 应用，l a b v i e w 本身显得有些力不从心，而通过调用m a t l a bs c r i p t 节点方式，用户 可以在l a b v i e w 中使用m a t l a b 强大的数值运算功能及方便、快捷的各类工具箱函数， 包括神经网络、小波分析、模糊系统、混沌理论等工具箱函数。 同时，l a b v i e w 具有强大的网络功能，支持常用的网络协议，方便网络仪器、远 程测控仪器的开发。 尽管l a b w i n d o w s c v i 或l a b v i e w 这两个软件开发平台携带有关信号采集、存储、 分析与处理的丰富的工具箱函数，但是他们本身并不是拿来即用的虚拟测试仪器，所 以需要用户根据自己的需要，调用该软件的工具箱函数，开发和设计出符合自己测试 需求的实际应用系统1 1 4 1 2 9 。 脉搏血氧饱和度功能测试系统的软件设计将根据测试具体对象的特点和系统的 兼容性，将选择l a b w i n d o w s c v i 软件平台来开发有针对性的测试系统软件。使用 l a b w i n d o w s c v i 编程的基本步骤如下： 1 ) 制订程序的基本框架 根据测量或分析任务来确定程序的基本框架、仪器面板及程序中可能需要的函数 矗盘 寸o 2 ) 创建用户界面 根据第一步所制订的方案，创建用户界面、设置控件属性和回调函数的名称。回 调函数将响应界面库产生的所有事件。事件的发生过程如图2 2 2 所示。 1 2 硕士论文 基于p x i 总线的s p 0 2 功能测试系统的研究和开发 源文件( c ) 用户界面( u i r ) 主函数 b l l l 争仟 面板 i b 思 控件1 i 专茹誓亲耋 控件l 产生动作 回调函数 指示灯 事件 信息 控件2 - l 产生动作 i 专蠹警亲眚 控件2回调函数 i 事件 i 膏思 面板 产生动作 回调函数 图2 2 2l a b w i n d o w s c v i 事件流程图 3 ) 程序源代码的编写 在创建好用户界面后保存用户界面时，计算机将自动生成头文件( 宰h 文件) 。 利用计算机自动生成源程序( 幸c 文件) 代码框架，并在框架中添加函数代码来完成 代码的编写。 4 ) 创建工程文件并运行 将用户界面文件( 奎u i r 文件) 、源代码( c 文件) 和头文件( 幸h 文件) 添加 到工程文件中来完成工程文件的创建，然后编译调用工程文件【l 卯。 本测试系统主要用于脉搏血氧饱和度的功能测试，需要对模拟器的设置值与监护 设备的测量值进行比对和分析，因此在软件设计中加入了回调函数，添加了对测量结 果的分析对比功能。系统软件主要功能如下： 1 模块参数设置的虚拟面板； 2 控制s p 0 2 模拟器产生相应的模拟信号； 3 读取被测产品中所测量到的s p 0 2 数据； 4 将读取的数据与初始设置值进行对比分析，给出测试结果，生成测试报告。 2 3 测试系统的实现途径 本测试系统将p x i 总线的虚拟仪器技术和软件开发平台l a b w i n d o w s c i v i 应用到 s p 0 2 功能测试系统的开发中，为建立一个自动化的、高效的测试系统提供了有效的 解决方法和技术途径。 虚拟仪器的主要思想就是“软件即是仪器”，其实所谓虚拟仪器v i 就是指具有虚 1 3 2 脉搏血氧饱和度测试系统总体分析研究硕士论文 拟仪器面板的个人计算机，它可以由计算机、模块化功能硬件和控制专用软件来组成。 “虚拟 在这主要有两方面的含义：一方面是指虚拟仪器的面板是虚拟的，它主要是 一个软件界面；另一方面是指虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。在虚拟仪器 系统中，运用计算机灵活强大的软件代替传统的某些测量仪器，用人的智力资源代替 许多物质资源，其本质上是利用p c 机强大的运算能力、图形环境和在线帮助功能， 建立具有良好人机交互性能的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据采集、数据分 析与显示。通过对相应硬件的选择和软件的编译，可以实现完全由用户自定义、适合 不同使用环境和对象的各种功能，形成既有普通仪器的基本功能，又可以有一般仪器 所没有的特殊功能的高档新型仪器，满足日益增加的测试需求。在虚拟仪器系统中， 硬件仅仅是解决信号的输入、输出问题的方法和软件赖以生存、运行的物理环境，软 件才是整个仪器的核心，通过对硬件的管理借以实现原本单纯硬件或仪器所无法实现 的功能。使用者只要通过调整或修改仪器的软件，便可以方便地改变或增减仪器系统 的功能与规模，甚至仪器的性质，完全打破了传统仪器由生产厂家来定义，用户无法 改变的模式，给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间【2 1 【19 1 。 采用虚拟仪器的优点1 1o 】： 测量精度高、重复性好：嵌入式数据处理器的出现允许建立一些具有一定功能的 数学模型，如f f t 和数字滤波器，因此就不再需要可能随时间漂移、需要定期校准 的分立式模拟硬件。 测量速度高：测量输入信号的几个特性，如电平、