（通信与信息系统专业论文）基于spce061a的音控数据采集系统在中医诊断中的应用(1).pdf

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 其他个人或集体己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：塑! 螳 日期：垫芏! 亟丝 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：刁垒鏖导师签名j 螽壹舀 期：鱼。监塑 中文摘要 数据采集技术作为微型计算机应用技术的一个重要分支，它集传感器、信号 采集与转换、计算机等技术于一体，是获取信息的重要手段和工具。“数据采集” 是指将温度、湿度、压力、流量、位移、电压、电流等模拟量采集、转换成数字 量后，再由计算机进行存储、处理、显示或者打印的过程，相应的系统称为数据 采集系统。在生产过程中，运用数据采集技术可对生产现场的工艺参数进行采集、 监视和记录，为提高产品的质量、降低成本提供信息和手段，从而实现对生产过 程的实时控制。在科学研究中，应用数据采集技术，将提高人们对各种瞬态现象 进行研究的能力，是探索科学奥秘的重要手段之一。数据采集系统的任务，就是 采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算 机。根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需要的数据。数据 采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的前提下，应该 尽可能的提高采样速度，以满足实时处理和实时控制对速度的要求。 中医诊断中，一般采用望、闻、问、切来诊断病人的病症，其中诊脉是比较 重要的诊断方法，现在很多脉诊仪器，在压力定标问题上的局限性很大，这是因 为诊脉时用需要用指腹按触病人寸、关、尺三个诊脉部位，在每个部位按“浮、 中、沉”三种力度切脉，但是施压力度因人而异，固定的压力标准不符合诊脉的 实际情况，相应的脉压采集就不能反应人体脉压真实的状况。本文所设计的脉压 采集系统是采用一种新型压电薄膜传感器，这种传感器具有质量轻、人机交互方 便等优点，通过语音控制可以更加智能化的采集不同人群的脉压，具有很大的实 用价值。同时采用了新型的单片机系统，使得采集过程更加快速、精确。这种 s p c e 0 6 1 a 单片机是以十六位徽处理器u n s 为核心的十六位单片机，它是基于 片上系统( s o c ，s y s t e mo nac h i p ) 的新型的数模混和的系统级芯片，在一个 芯片内集成了单片机数据采集或者控制系统所需的模拟和数字外设及其它功能部 件，采用模块集成结构，片内集成了2 k br a m 、3 2 k bf l a s h 、a d c 、d a c 、并行i 0 等，具有集成度高、数模混和、功能全、低功耗、低电压和宜于开发等优点。 u n s p t m 采用总线结构，减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干 山东大学硕士学位论文 扰能力，此外它的硬件结构以及提供的特殊指令构成了快速完成乘法运算并将乘 积累加的m a c ( m u l t i p l ya n da c c u m u l a t e ) 机制，具有一定的d s p 功能，能够快速 的实现脉压采集及数据处理。 通过对数据采集理论及s p c e 0 6 1 a 新型1 6 位单片机的研究，本文实现了如何 利用s p c e 0 6 1 a 十六位单片机来实现音控多路脉压采集系统，本文首先简单介绍了 一下数据采集的理论，为了更好的说明如何利用s p c e 0 6 1 a 单片机来实现数据采集 和传输系统，本文简单介绍了一下s p c e 0 6 1 a 单片机的基本结构和通用串行总线 ( u s b ) 通信，并且对u s b 通信的原理进行了较为详细的介绍。本论文的主要工作 在第四章，详细介绍了一个多路脉压采集及其传输系统的实现过程。论文最后， 在总结工作经验的基础上，给出了该系统的应用前景。 经实验测试，本数据采集系统具有采集速度快、精度高、传输速度快等优点， 具有很好的实时性、通用性，p c 机程序界面友好，宜于操作，可以对数据进行滤 波、图形显示等功能，程序设计的兼容性较好，在中医诊断上具有很好的实用性。 关键词：凌阳十六位单片机，脉压采集，数模、模数转换，压电薄膜传感器， 通用串行总线 ! ：! 竺：一! ! ，些墼堡塞垂! 鲨塞 a b s t r a c t a sa n i m p o r t a n tb r a n c ho fm i c r o c o m p u t e ra p p l i c a t i o n ，t h ed a t aa c q u i s i t i o n t e c h n o l o g yi s am a i nt r i c ka n dt o o lt o g e ti n f o r m a t i o n ，w h i c hi n c l u d es e n s o r , s i g n a l c o l l e c t i o na n dc o n v e r s i o na n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y “t h et e c h n o l o g y i sap r o c e s st h a t f i r s tt u r nt e m p e r a t u r e h u m i d i t y p r e s s u r e f l o w d i s p l a c e m e n t v o l t a g e e l e c t r i c c u r r e n ta n do t h e ra n a l o g ys i g n a li n t od i g i t a ls i g n a la n dt h e ns a v ei ti n t oc o m p u t e rt o h a n d l e d i s p l a yo rp r i n t w ec a l l t h i s p r o c e s st h e d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m i nt h e p r o d u c t i o np r o c e d u r e ，w e c a n p r o v i d ei n f o r m a t i o n a n dm e t h o d st oi m p r o v et h ep r o d u c t q u a l i t yo rd e c r e a s e c o s tb y u s i n g d a t a a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y t oc o l l e c t 、s c o u to rr e c o r d t h ep r o d u c t i o nt e c h n i q u ep a r a m e t e r i nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c h i n g ，u s i n gd a t aa c q u i s i t i o n t e c h n o l o g yc a nu p g r a d e o n r c a p a b i l i t yo fs m d y i n g t r a n s i e n ts t a t ep h e n o m e n o n t h ed a t a a c q u i s i t i o ni sf i r s tt ot u r n t h ea n a l o g ys i g n a li n t ot h ed i g i t a ls i g n a lt h a tt h ec o m p u t e r c a r l i d e n t i f ya n d t h e ng e tt h en e e d e dd a t at h r o u g hp r o c e s s i n gt h ec o r r e s p o n d i n gc o m p u t a t i o n a n dd i s p o s a lb yc o m p u t e r t h ep r e c i s i o na n d r a t ei st h es t a n d a r dt oj u d g et h a tt h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi sg o o do rn o t s ow et r y t h eb e s tt oi n c r e a s et h es a m p l er a t et o c o m p l e t et h ed e m a n df o rt h er e a l - t i m ep r o c e s s i n ga n d t h er e a l - t i m ec o n t r o lu n d e rt h e e n o u g hp r e c i s i o n t h eh e r b a l i s td o c t o ru s u a lu s e sw a t c h i n g ，s m e l l i n g ，a s k i n ga n de x a m i n i n gt o d i a g n o s e e x a m i n i n gp u l s e i sa n i m p o r t a n td i a g n o s t i cw a y n o wm a n ye x a m i n i n gp u l s e i n s t r u m e n t sa r el i m i t e db yt h ep r e s s u r es c a l i n gb e c a u s et h eh e r b a l i s td o c t o r n e e d st o u s ed i f f e r e n tp r e s s u r et oe x a m i n et h es i c k sp u l s ea n dt h ep r e s s u r es t a n d a r d si sn o t f i tf o r e v e r y o n e t h es y s t e m w h i c hw i l lb et a l k e da b o u ti nt h i sp a p e ru s ean e w s e n s o rw h i c h i s l i g h ta n de a s yt o a c h i e v em a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n i tc a l lc o l l e c ti n t e l l i g e n t l yt h e p u l s do f d i f f e r e n tp e o p l e ，s oi th a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u e a tt h es a m et i m e ，i ta d o p t sa n e w t y p es c m n a m e ds p c e 0 6 1 a s p c e 0 6 1 ai san e wt y p e1 6 - b i ts c mw i t ht h e k e m e lo fu n s p t m i t san e wl e v e lo fs y s t e mc h i pb a s e do ns y s t e mo nac h i p i ta d o p t m o d u l ei n t e g r a t i o ns t r u c t u r ea n di n t e g r a t e2 k b r a m 、3 2 k bf l a s h 、a d c 、d a c 、i o i nt h ec h i p s oi th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sf u l lf u n c t i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， 5 ! ! ! 一，! 一! 当奎盔兰塑主堂堡监塞 l o wv o l t a g ea n d e a s yd e v e l o p m e n t t n s p r ua d o p tt h eb u sl i n es 缸1 】c n l r e w h i c h d e c r e a s e st h el i n eb e t w e e ne v e r yf u n c t i o nc o m p o n e n t ，s oi ti m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n d t h ea b i l i t yo f r e s i s t i n gi n t e r f e r e n c e i t sh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds p e c i a li n s t r u c t i o nm a k e u po fm a c m e c h a n i s mt h a tc a nc o m p l e t em u l t i p l ea n da d df l e e t l y , i th a ss o m ed s p f u n c t i o nt h a ti tc a p c o m p l e t ed a t aa c q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n g q u i c k l y t h ew h o l ec i r c u i ts t r u c t u r ei ss i m p l e a tt h es a m et i m e ，i ti sp o s s i b l et or e a l i z et h e u s bc o m m u n i c a t i o nb e c a u s ei th a sq u i t eh i g hr a t ea n de n o u g hs t o r a g es p a c ew i mt h e s t o r a g es p a c eo f3 2 kf l a s h ，1 4i n t e r r u p ts o u r c e s ，o 3 2 4 9 m h zw o r k r a t ea tt h ew o r k v o l t a g er a n g ef r o m2 6 3 6 v t h ep a p e r r e a l i z e sas y s t e mw h i c hu s es p c e 0 6 1 at o c o l l e c td a t aa n d 订a n s m i tt h ed a t at op c b yu s b c o m m u n i c a t i o nt h r o u g hs t u d y i n gt h e d a t aa c q u i s i t i o nt h e o r ya n ds p c e 0 6 1 a i ti sam u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ， u s i n g i nt h ec l i n i c d e t e c t i o n ，w h i c ，h c a nc o l l e c t2c h a n n e l st e m p e r a t u r es i g n a l ，3 c h a n n e l s p u l s ep r e s s u r es i g n a la n d 1c h a n n e l s p e e c hs i g n a l t h ep a p e rs i m p l yi n t r o d u c e st h ed a t aa c q u i s i t i o nf u n d a m e n t a l ，s h o w i n gt h eb a s e p m c e d u r eo f d a t aa c q u i s i t i o n t ob e t t e ri l l u s t r a t eh o wt or e a l i z ed a t aa c q u i s i t i o na n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb yu s i n gs p c e 0 6 1 丸t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo f s p c e 0 6 1 aa n du s bc o m m u n i c a t i o n mt h ef o u r t hc h a p t e r , t h ep a p e rs h o w st h ep r o c e s s o f r e a l i z i n gt h ew h o l es y s t e m i nt h ee n d ，t h ep a p e rg i v e st h es p c e 0 6 1 aa p p l i c a t i o n f o r e g r o u n db a s e do ns u m m a r i z i n g t h ew o r k e x p e r i e n c e b ye x p e r i m e n t ，t h i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sp r o v e d t h a ti th a ss o m e a d v a n t a g e s ， s u c ha sf a s tc o l l e c t i o nr a t e ，h i g hd e g r e eo f a c c u r a c y , f a s tt r a n s m i s s i o nr a t e t h es y s t e m h a s g o o dc o m p a t i b i l i t ya n d i sv e r yu s e f u lf o rc h i n e s em e d i c i n ed i a g n o s e k e y w o r d ：p n s p 7 m ，p u l s ep m s s u r es i g n a la c q u i s i t i o n ，a d a n dd ac o n v e r s i o n ， p v d f s e n s o r ，u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 6 山东大学硕士学位论文 第一章数据采集理论 计算机内部能识别的是二进制的数字信号，因此输入计算机的信号必须转换 为离散的数字信号，即将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。模拟的非电量 ( 电流、电压) 必须先通过传感器，把非电量的模拟信号，如湿度、温度、压力、 流量等模拟量转换为电信号，才能传送给计算机进行处理。下面简要介绍一下数 据采集系统的组成。 1 1 数据采集系统组成 图1 1 采集系统组成 各种采集系统尽管具有不同的形式，但是其基本组成是相同的，如图1 1 所示。 采集系统硬件主要包括传感器、a d 转换器、输入输出接口电路、单片机、p c 机 等。一个具体的数据采集系统的构成，根据所测信号的特性而定，力求既能满足 系统性能的要求又能在性能价格比上达到最优。根据这个要求，采集系统可分为 以下几种结构。 1 单通道数据采集 被采集的模拟信号只有一个，如图1 2 所示。 副学 采样保持 ( s h ) 模数 ( a d ) 图1 2 单通道数据采集框图 接口 ( i o ) 主 机 2 多通道数据采集 被采集的模拟信号有两个或者两个以上。对多路模拟信号的采集有以下几种 结构形式。 a 多路a d 转换方式。 这种结构由多个a d 转换芯片构成。对每路输入信号都有独立的采样保持电 路s h 、a d 转换电路及i o 接口电路，每一路占有一个通道。结构框图如图1 3 7 山东大学硕士学位论文 所示。这种方式通常用于高速数据采集和需要同时采集多路数据的系统，其优点 是通道数据增加时，最高采样频率不会受到影响，并可同时采集多路信号，保持 了各信号之间的同步关系。缺点时成本较高、体积较大。 l 学h 采搿h 船埘 主 l 繁忭舻h 躲晤 n 机 j 繁u 采样( s ，h 保) 持h 麓 厂磊 一，i o ) l i “。 图l - 3 多通道数据采集框 i 学h 采搿卜 模 拟 1 学h 群( s 膘h ) 持卜 多 t 雠 路 开 关 繁h 采搿卜 圈1 4 多路共享a d 转换圈 b 多路共享a d 转换方式 输入信号进入各路采样保持电路，然后由多路开关可选择的将各路信号送入 a d 转换器进行转换。结构框图如1 4 所示。这种方式较上一种方式慢，并且得到 的各通道信号是断续的。在通道数增加时，采集频率受到影响。当采样保持电路 用同一个信号控制时，既可保证同一时刻采集到各通道参数，又可保证信号间的 山东大学硕士学位论文 同步关系。这种方式主要用于采集频率要求不高的多路信号采集系统。 c 多路开关方式 这种方式轮流循环采样的转换速度比以上两种方式都慢，但是节省硬件，结 构框图如图1 5 所示。它常用于采集多路变化缓慢的信号，如温度变化信号、应 变信号等。用这种方式采集多通道信号时，不能同时采集同一时刻的各种参数。 l 传感器i l c h i ( s ) 卜 模 1i 拟 i 传感器l 2 c h 多 路 一采器怄怄怍1 ( s r 开 关 f 传感器l 。c h c s ，r 1 2 数据采集过程 数据采集包括以下主要过程 1 2 1 采样过程 图1 5 多路开关框图 采样就是周期性地读出或者测量一种连续信号。测量的周期称为采样周期 t ，采样周期的倒数称为采样频率正= l t s ，t 称为采样时间。模拟信号通过 采样开关，对连续信号进行采样，即只在采样时间间隔f 内对输入的模拟信号 进行测量。采样开关输入的是连续的模拟信号，而输出的是离散的模拟量一一在 采样间隔f 内信号是连续的，也就是说采样所得的离散信号是输入的连续信号的 一部分，是一种脉冲调制信号，它与作为数字量的离散信号是完全不同的。输出 的离散信号又称为采样信号。 在实际系统中，f 会被次旧的数据样本( x n 一3 ) 取代，m u l s 指令 只占一个字( 即1 6 位) 的存储空间且指令执行的时间仅为( 1 0 n + 6 ) 个时钟周期， 具体到本例是1 0 4 + 6 = 4 6 个时钟周期。 f i r 滤波器维护一个固定数目n 的最新样本表。每次f i r 迭代前，新样本加入表中， 如图4 1 1 所示。f i r 迭代后，最旧的样本被替代。此表表示样本向量，它与系数 向量相乘得到当前输出。 本系统我们要实现一个1 6 阶f i r 低通