（电路与系统专业论文）基于USB20的人体脉搏信号采集系统[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 本文将f p g a 技术、u s b 2 0 接口技术和虚拟仪器技术有机地结合在一起，以 f p g a 为硬件基础，通过系统硬件设计、逻辑设计和系统软件设计，实现了一款基 于u s b 2 0 的人体脉搏信号采集系统，并对其功能进行了全面、深入的分析。 考虑到系统的实用性，确定设计准则：携带方便，功耗低，使用方便，灵活 的配置，良好的抗噪声性能。基于上述设计准则，论文首先设计并实现了前端信 号调理电路、模数转换电路、基于u s b 2 0 接口的数据传输及控制电路等系统硬件。 关键的数据传输控制采用了f p g a 结合u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 实现，充分 利用u s b 2 0 的高速数据传输特性，在不加外部存储器的情况下，实现了外设数据 到主机的大批量实时传送，解决了其它接口总线大数据量实时传输的瓶颈问题。 设计过程中利用q u a r t u s l i 软件平台进行了功能仿真、时序仿真及设计验证。其次， 在l a b w i n d o w s 软件平台上开发了比传统仪器更灵活、功能更强大、人机界面更加 友好的应用程序。并在w i n 2 0 0 0 环境下，利用d d k 工具独立开发了专用的设备 驱动程序和下载驱动程序。 在上述工作的基础上，本文还结合国内外医学仪器的发展现状，创新性地提 出了该系统应用于多路生物电信号的分析和处理，并以人体脉搏信号为研究对象， 在该系统平台上进行了相关的时域分析和频域分析。 关键词：u s b 2 0 驱动程序f p g a 虚拟仪器技术脉搏信号 a b s t r a c t ab s t r a c t i nt h i st h e s i s t oc o m b i n ew i t hf p g at e c h n o l o g ya n du s b 2 0 i n t e r f a c e t e c h n o l o g ya n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ，w i t hb a s i n g o nf p g ah a r d w a r ea n d d e s i g n i n gs y s t e mh a r d w a r e ，l o g i ca n ds y s t e ms o f t w a r e ，w h i c ha c h i e v ea d a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do nu s b 2 0f o rm e a s u r e m e n to fp l u s es i g n a lo fh u m a nb o d y ，a n dt h e p r o c e d u r e so f t h ea b o v ew o r ka l s oa r ea n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a l i t yo ft h ea p p a r a t u s ，t h ed e s i g nc r i t e r i o n sa r ec o n f i r m e d a sf o l l o w ：c a r r yc o n v e n i e n t l y ，f i x e db a t t e r y ，l o we n e r g y c o s t ，s m a l ls i z e ，a d v i s a b l e c a p a b i l i t yw i t h s t a n d i n gn o i s e sa n dc o n v e n i e n c e u s a g e b a s e do nt h ea b o v ec r i t e r i o n s ， t h es y s t e mo ft h eh u m a nb o d yp u l s es i g n a lc o l l e c t i o ni sd e s i g n e di n t e g r a l l yc o n s i d e r i n g t h ep r a c t i c a b i l i t ya n dt h ea d v a n c e m e n ti nf u t u r e t h ed e s i g nc o n t e n t si n c l u d et h e 、s e l e c t i o no ft h es e n s o ra n dt h eo p e r a t i o n a m p l i f i e r ，t h ec o r eo fa ds w i t c h e r ，t h ed e v i c e a n dl o a d e rd r i v e rd e s i g n ，t h em e t h o do ft r a n s m i s s i o nd a t aa n dt h eh i g he f f i c i e n c yd a t a a n a l y s i s m o r e o v e r ，m a k i n gu s eo ff p g ac o m b i n ew i t ht h eu s b 2 0c h i pc a nd e v e l o p t h et r a n s m i s s i o no fag r e a td e a ld a t a ，u s i n gq u a r t u s l is o f t w a r ep l a t f o r mf o rf u n c t i o n a l s i m u l a t i o n ，t i m i n gs i m u l a t i o na n dd e s i g nv e r i f i c a t i o n i nt h ed e s i g np r o c e s s t h e a p p l i c a t i o np r o g r a mo fs y s t e mi sc o m p i l e db yu s i n gt h es o f t w a r eo fl a b w i n d o w s ，w i t h u s i n gt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，w h i c hm a d es y s t e mb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t ，m o r ep o w e r f u la n df r i e n d l ym a l l m a c h i n ei n t e r f a c ea p p l i c a t i o n s i nt h e w i n d o w s 2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e me n v i r o n m e n t ，t h eu s eo ft h ed d kt o o l f o rt h e d e v e l o p m e n t o fa ni n d e p e n d e n ts p e c i a ld e v i c ed r i v e r sa n dd o w n l o a dd r i v e r s a sw a ss t a t e da b o v e ，t h ea u t h o re l a b o r a t e di t sa p p l i c a t i o n si nm e a s u r ea n d a n a l y s i st h eh u m a nb o d ys i g n a l ，a n di n t r o d u c e db a s i ct h e o r i e sa n dt e c h n o l o g ya b o u t a p p l i c a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h ea u t h o rb e a r so u tt h es i g n i f i c a n c eo fa p p l i c a t i o n , w i t h a n a l y z i n ga c t u a le l e c t r i cp u l s es i g n a lo fh u m a nb o d yd u r i n gt i m ea n df r e q u e n c y d o m a i n k e y w o r d ：u s b 2 0 d r i v e r sf p g av i r t u a li n s t r u m e n tb o d yp u l s es i g n a l 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：堡呈盘 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名：堡璺盏 导师签名：避 日期基! 塑：墨：丝 日期鲨曼：主坦日期鲨2 ：主坦 第一章绪论 第一章绪论 1 1 技术背景 随着我国人民生活水平的提高，人们对自身的健康意识也日益增强，医疗保 健、定期体检、家庭医生越来越受到广大人民群众的关注，人们通过这些诊断对 自身的健康进行关注并且预防疾病发生。 众所周知，脉搏信号是人体众多信号中较具代表性的一种。人体内心血管系 统是由心脏、血管以及所含血液等组成的完整统一体，在相互协同制约和依存的 条件下和中枢神经系统的控制下，完成血液循环的整个过程，而脉搏信号正好反 映了这一过程。脉搏信号是由于心脏的搏动推动血液沿血管运行而产生，因此按 现代科学的观点，可将脉搏信号看为心脏内部运动状态在人体表面的输出和映射。 人体脉搏波的压力及波形特征变化是评价人体心血管系统生理、病理状态的重要 依据。在中医和西医的诊疗过程中，都从脉搏波的压力与波形变化中提取各种生 理、病理信息。这是因为当脉搏波由心脏开始向动脉系统传播时，不仅要受到心 脏本身的影响，同时也会受到流经各级动脉及分支中各种生理因素如血管阻力、 血管壁弹性和血液粘性的影响，使动脉中包含有极丰富的心血管系统生理病理信 息【l l 【2 1 。脉搏是微循环系统中血液流量、浓度、阻塞、血管肌伸缩、血管弹性等综 合的表微参数，因此在脉搏波形的变化隐含着重要的心血管动力学信息。人体这 个复杂动力学系统就是一个在不同尺度下充满各种对抗节律的大合奏。所谓节奏 就是周期运动，周期运动对于人体来说是无处不在的，处于绝对的支配地位。这 也体现了生物体一切处于运动和震荡之中的思想，因此我们需要对波形数据进行 实时采集。 心血管疾病是人类中老年疾病比例最高的病种。根据医学专家的观点，心血 管疾病比较多地表现在微循环系统的老化及相应病变。少数心血管病的病人可能 导致中风，还有许多心血管疾病影响着人们的健康。因此对心血管疾病绝不能忽 视，许多病情轻的病人不愿或不便及时进行检查，错过了宝贵的诊治机会，以至 于小病酿成大病，甚至无法挽救。脉搏波的波形特征与心血管系统中的特征参数 变化密切相关。对脉搏波波形特征参数进行科学合理的检测、诊断、分析，以便 更有效低防治疾病；另外，我国传统医学的中医脉象和脉搏波信号的波形形态有 着密切的关系【3 】。因此，对脉搏信号波形形态进行研究，并将其与传统中医的脉象 诊断结合，以求利用无创检测方法对人体心血管疾病进行早期的诊断治疗，这在 2 基于u s b 2 0 的人体脉搏信号采集系统 临床医学的发展中很有价值。 人体内部充满了混沌动力学1 37 j 的机制，为了能深入研究分析、开发心血管微 循环疾病的诊断系统和相应近代物理的治疗途径，脉搏数据采集是一种非伤害性、 操作方便、极易推广与血管相关性很强的传感手段。从脉搏波信号中提取人体的 生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到人们的重视，尤其是我国 传统医学中的脉诊已有几千年的历史。脉搏信号由于可以通过手指直接感受，自 古以来受到人们的重视，中医脉诊历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念，辨 证论治的体现和应用，亦是中医理论体系不可或缺的组成部分。所以脉诊的客 观化、定量化、规范化研究就显得特别重要，实现脉诊客观化、定量化成为继承、 开拓中医脉学的重要途径。 1 2 脉搏波的研究概况 近年来医学与多学科结合，进行脉学研究工作，开展的非常活跃，一个多途 径、多方法、多层次、多学科协同研究的课题正在逐步深入。为了揭开脉搏信号 的科学本质和产生机理以及更准确地反映人体的生理、病理情况，国内外学者经 过长期不断的探索，做了大量工作。这些工作可以归纳为以下几个方面1 4 i ： 一、脉搏波信号的传播理论和仿真模拟的研究 脉搏波传播现象及其动力学特征在生理学、临床医学分析及生物医学工程用 上极为重要，这是脉搏信号分析诊断的理论基础。后来发展出线性理论和非线性 理论。线性理论是柳氏【5j 应用脉搏波线化理论对动脉脉搏波波形进行了分析，柳氏 计算出与实测波形相似的多种脉搏波，脉搏波线性理论现己在临床上的应用方面 取得了令人满意的结果1 6 j 。非线性理论是在线性理论的基础上发展而来的，此理论 认为脉搏波信号在动脉中的传播是非线性的，其主要原因是血液流动的非线性、 血管壁运动的非线性、血管壁变形及应力应变关系的非线性等因素所致，由 于其高度的非线性，它所描述的状态更接近人体的实际情况，然而，由与缺乏完 整的血液与血管的实测数据，目前还难以对此理论作进一步评价。与此同时，由 于生理过程十分复杂，而无创实验手段又很缺乏，因此人们广泛开展了脉搏信号 数字仿真的研究。 二、脉搏信号获取方法的研究 脉搏波信号的测量方法很多，而传统的脉搏检查方法是手指触诊。由于触诊 法不可避免地要带入主观因素，且不便于客观记录和精细分析，所以大大限制了 它的应用和发展。采用传感器检测脉搏，可以客观地得到脉搏的主要信息，记录 出脉搏信号，有利于存储和分析，对人体无创伤且使用方便，因而在实际中得到 了广泛的应用。 第一章绪论 三、脉搏信号处理方法的研究 由于生命体自身的机理以及信号源的不可触及性，脉搏信号具有变异性、随 机性，并受到强干扰等特点。脉搏信号的处理主要是通过现代医学方法和仪器设 备而使得脉搏波的诊断能够规范化、标准化、直至自动化，要求最大程度地消除 外界以及仪器本身所造成的误差，而且要求对各种信息量精确再现，最大限度地 反映机体内部的真实状况。脉搏波的处理方法有模拟的、数字的、或者是二者混 合的，由于脉搏信号的特点，上述方法对硬件和软件提出更多的要求，所以如何 对脉搏波进行更加有效的处理，从中实时提取诸如幅度、形状变化等有用信息是 实现脉搏波精确测量的关键。 四、脉搏信号分析方法的研究 为了研究脉搏波的波形特征与生理因素的关系，目前国内外许多研究者大都 以临床实测或模型计算脉搏波形图为依据，然后分别在时域和频域中对脉搏波形 进行分析处理以得到特征信息。目前主要有以下几种方法。l 、时域法1 7 j ，此法通 过提取脉搏曲线中一些有明确生理意义的点来作为评价脉搏波的特征点，而将特 征点和对应的生理因素结合起来就可能得到许多有临床医学价值的结果，故时域 分析法成了最直观和应用广泛的一种方法。但这种方法只是建立在脉搏曲线某些 点的特征上，没有把曲线所包含的全部信息利用起来；同时缺乏对各种脉象的脉 图时域参数特征较统一的标准。2 、频域法1 8 】，此法主要是通过离散快速傅里叶变 换，将时域的脉搏波曲线变换到频域。频域分析是工程中对周期信号的处理方法， 不同脉搏信号中各频率成分及其能量分布应该是有差异的，因此可从脉搏波频谱 中提取与人体生理病理相应的信息。频谱法的优点是特征信息以脉搏波所具有的 全部频率分量的集合形式表示，因而保留了脉搏波中的全部信息，但由于计算复 杂，结果抽象，难以被广大医学工作者所接受。3 、脉图面积法【9 j ，罗志昌教授在 脉搏波线化理论的基础上，提出了一个能够反映脉搏波波形特征的参数k 值。k 值通过下式计算： k = 上l _ 二旦 式( i - i ) p s p d 式( 1 1 ) 中，p 。、p d 为收缩压与舒张压，p m 为一个心动周期内脉搏波压力的 平均值。p m 可以通过对脉搏波的积分求得。它虽然简单的只有一个特征量k 值， 非常直观，简便易求，但由于不能得到真实的脉搏波信号的全部细微变化，因此 比较粗糙，且容易造成误诊断，难以临床推广使用。 五、脉搏信号检测的应用 用脉搏波信号来分析监测其他重要的生理指标如血压、血糖、血氧饱和度等， 也日益受到重视。无创血氧饱和度是通过监测双波长光容积脉搏波而得到，因此 4 基于u s b 2 0 的人体脉搏信号采集系统 它是建立在对脉搏波的实时处理基础上实现的。血氧饱和度作为手术中常规监测 指标，无创、连续、实时提供病人氧合状况，已迅速成为临床监护中必备的医疗 仪器，并广泛用于手术麻醉、重症急救以及医疗保健等各个方面，并显示了十分 巨大的应用价值。 综上所述，脉搏波信号监测和应用的研究一直受到国内外的普遍重视，根据 脉搏信号在时域、频域等方面的特征，又有多种分析方法被提出。可以看出，一 个全方位对科学的脉搏信号的研究正在形成。在这种情况下，我们从工程学角度 该进行什么样的研究，解决哪些关键问题呢? 本文所完成的工作，正是试图认真 地开发出一种实用的、低成本的数据采集系统，较为全面的给出了信号采集分析 应用于人体脉搏信号采集和分析的关键技术和理论基础，指出了采用u s b 2 0 接口 虚拟仪器技术的数据采集系统对人体脉搏信号进行时域和频域分析的意义：系统 能满足普通教学实验、科研测量外，还能非常方便的进行二次开发，在二次开发 上，研究中也以人体脉搏信号采集和分析为核心做了大量的工作。 1 3 论文的主要工作 本文的主要内容包括基于u s b 2 0 的人体脉搏信号采集系统的实现和其在人 体脉搏信号测量和分析上的应用两大部分，具体各章内容如下： 第二章，系统设计概要：介绍了系统设计的主要任务和系统设计的方案论证， 并在此基础之上，描述了系统的总体框架和设计流程。 第三章，系统硬件设计：本章从传感器及信号调理电路、a d 采集电路、u s b 接口电路设计等方面，详细描述了u s b 2 0 人体脉搏信号采集系统的硬件设计。 第四章，系统可配置器件设计：本系统采用的部分器件具有可配置性，这使得 设计有利于二次开发；本章就这些可配置器件在本系统中如何合理配置进行阐述。 第五章，应用程序的设计：本章首先从功能分析和实现分析两个方面阐述了应 用程序的总体设计；然后，按照应用程序的功能描述了应用程序的详细设计；最 后叙述了应用程序的使用说明。 第六章，系统整体的工作：人体脉搏信号的测量和分析在临床医学上具有重 要的地位，本章以人体脉搏信号采集和分析为核心，在介绍生物电信号特点的基 础上，论述了系统应用于人体脉搏信号采集与分析的相关理论和技术基础，阐述 t n 用其对人体脉搏信号进行时域和频域分析的意义。 第- 二章系统总体设计 第二章系统总体设计 我们研制的人体脉搏信号采集系统是进行科学实验用的数据采集装置，因此我 们要考虑使用该装置能方便地采集和存储大量数据，在得到准确、完备的数据基 础上进行数据分析，以此来达到对脉搏波信号科学系统的分析。 2 1 方案论证 2 1 1 方案选择 方案一：方案一以系统专用性为目标，在系统中使用独立的高速运算处理器 件。方案的构思框图如下图2 1 所示 图2 1 方案一构思框图 方案二：方案二以系统再利用扩展应用为目标。方案的构思框图如图2 2 所示。 图2 2 方案二构思框图 在两个方案的设计中，主要的区别是逻辑控制、数据存储及数据处理三部分 的电路，在方案一中，使用存储器，同时利用d s p 信号处理器对a d 进行控制， 6 基于u s b 2 0 的人体脉搏信号采集系统 对数据进行处理后进行显示。在方案二中，利用f p g a 对a d 进行控制并将数据 通过u s b 接口芯片传输给p c 机，利用p c 机的处理能力进行信号分析和比对。根 据实际应用的需要和开发仪器的设计指标，作者选用了第二种方案，主要原因有 两方面：一方面，u s b 2 0 总线的速度已经达到4 8 0m b s ，即每秒钟可以传3 0 m 字， 可以将数据及时的传送给p c 机，不须外加存储器；另一方面，f p g a 的可配置性 使得该系统能在以后的系统升级中不会被轻易淘汰，性价比远远高于方案一，p c 机的处理功能也可以通过上位机软件进行实际有效地变化，达到系统功能的多样 化。 2 1 2 芯片选择 1 接口芯片的选择 u s b 接口芯片是一种集成了u s b 协议的微处理器，它能自动对各种u s b 事 件作出响应，以处理u s b 总线上的数据传输。u s b 接口芯片按功能可以分为u s b 主控制器芯片、u s b 集线器芯片和u s b 功能设备芯片。在计算机上已经集成了 u s b 主控制器和集线器，因此需要的选择的只有u s b 功能设备芯片。 u s b 功能设备芯片负责实现功能设备和u s b 主机间的物理数据传输，它是构 成u s b 功能设备的必要部件。按其所支持的传输速率，可以分为低速设备芯片、 全速设备芯片和高速设备芯片。通常这些u s b 芯片都含有多个驱动外围电路的i o 口，以实现u s b 设备的特殊功能。通常，u s b 功能设备芯片的组成部分如下： 1 ) 处理器：负责执行存储在芯片里的程序代码。有些是外加的处理器，如飞利 浦公司的d 1 2 就没有集成处理器； 2 ) 程序存储器、数据存储器：用于存储数据和程序； 3 ) 寄存器：控制和设置u s b 的工作状态； 4 )u s b 接口：负责发送和接收u s b 总线上的数据，完成数据的编解码，包括 串口引擎( s i e ) 和总线收发器； 5 ) 缓冲区：保证数据传输的流畅性； 6 )外部i o 及其他部件：主要的作用是驱动外围电路和与其他总线的接1 3 ，当 然有些是需要根据特殊的应用场合而定。 选择一款合适的芯片可以大大节省开发时间和费用，在选择芯片时主要考虑 一下几个因素： 1 ) u s b 芯片的传输速率：即它和u s b 主机交换数据时可以使用的传输速率， 分为1 5 m b s 的低速传输、1 2 m b s 的全速传输和4 8 0 m b s 的高速传输； 2 ) u s b 芯片的硬件资源：不同的u s b 芯片所提供的硬件资源是不同的，如片 内是否有处理器、存储器容量及i o 口数量等等。设计者需要根据自身的需要选 第二章系统总体设计 择； 3 )u s b 芯片的功耗：对某些总线来说，功耗是一个需要特别注意的问题，如果 功耗少，则可以采用总线供电的方式，而省去不方便的外置电源； 4 )u s b 芯片的开发工具包：在设计过程中，工具包的帮助作用是很大，它会大 大方便系统软硬件调试。另外有的工具包还提供了较为全面的软硬件的实例， 这对开发人员是很有参考价值的； 5 )其他因素：芯片的价格、封装形式、质量标准、供货情况、生命周期以及开 发人员的自身水平和熟悉的硬件也是需要考虑的因素，只有慎重的选择一款芯 片才能有效的同时提高设备的性能和开发的周期。 基于以上的分析，通过综合比较，在不影响性能的情况下，作者选择了较便于 开发的u s b 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 - - 5 6 ，主要原因有：第一、该芯片集成了5 1 处 理器，方便资源扩展和应用接口；第二、该芯片集成了较大的数据缓冲区，利于 数据流畅的传输；第三、该芯片的主要寄存器主机都可以任意读取，便于控制应 答。对于该芯片的介绍可参见第三章3 4 1 的介绍。 2 a d 转换器的选择 a d 转换器是信号采集的核心器件，a d 转换器的性能决定了仪器的频率适用 范围和信号分析的基本参数，以下作者从a d 的分类、a d 的主要技术指标、a d 的选择三个方面阐述如何选择a d 以及选择的根据。 1 ) a d 转换器的分类【m 】 ( 1 ) 积分型：积分型a d 工作原理是将输入电压转换成时间( 脉冲宽度信号) 或 频率( 脉冲频率) ，然后由定时器计数器获得数字值。其优点是用简单电路就 能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极 低。初期的单片a d 转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主 流： ( 2 )逐次比较型：逐次比较型a d 由一个比较器和d a 转换器通过逐次比较逻 辑构成，从m s b 开始，顺序地对每一位将输入电压与内置d a 转换器输出进 行比较，经1 1 次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较 高、功耗低，在低分辩率( 1 2 位) 时价格 较高； ( 3 )并行比较型串并行比较型：并行比较型a d 采用多个比较器，仅作一次比 较而实行转换，又称f l a s h ( 快速) 型。由于转换速率极高，n 位的转换需要2 n 1 个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频a d 转换器等速 度特别高的领域。串并行比较型a d 结构上介于并行型和逐次比较型之间， 最典型的是由2 个n 2 位的并行型a d 转换器配合d a 转换器组成，用两次比 较实行转换，所以称为h a l f f l a s h ( 半快速) 型。还有分成三步或多步实现a d 转 基于u s b 2 0 的人体脉搏信号采集系统 换的叫做分级( m u l t i s t e p s u b r a n g l i n g ) 型a d ，而从转换时序角度又可称为流 水线( p i p e l i n e d ) 型a d ，现代的分级型a d 中还加入了对多次转换结果作数 字运算而修正特性等功能。这类a d 速度比逐次比较型高，电路规模比并行 型小。 ( 4 )调制型：型a d 由积分器、比较器、1 位d a 转换器和数字滤波 器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间( 脉冲宽度) 信号，用 数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容 易做到高分辨率。主要用于音频和测量。 ( 5 )电容阵列逐次比较型：如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制 成高精度单片a d 转换器。最近逐次比较型的a d 大多为电容阵列式的。 ( 6 ) 压频变换型：压频变换型( v o l t a g e f r e q u e n c yc o n v e r t e r ) 是通过间接转换 方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用 计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种a d 的分辨率几乎可以无限增 加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。 其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成a d 转换。 2 ) a d 转换器的主要技术指标【l o 】 ( 1 ) 分辩率( r e s o l u t i o n ) ：指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定 义为满刻度与2 n 的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示； ( 2 ) 转换速率( c o n v e r s i o nr a t e ) ：是指完成次从模拟转换到数字的a d 转换所 需的时间的倒数。积分型a d 的转换时间是毫秒级属低速a d ，逐次比较型 a d 是微秒级属中速a d ，全并行串并行型a d 可达到纳秒级。采样时间则是 另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率 ( s a m p l er a t e ) 必, 须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上 等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是k s p s 和m s p s ，表示每秒采样千 百万次( k i l o m i l l i o ns a m p l e sp e rs e c o n d ) ； ( 3 ) 量化误差( q u a n t i z i n g e r r o r ) ：由于a d 的有限分辩率而引起的误差，即有 限分辩率a d 的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率a d ( 理想a d ) 的转移特 性曲线( 直线) 之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化 量，表示为1 l s b 、1 2 l s b ； ( 4 ) 偏移误差( o f f s e te r r o r ) ：输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电 位器调至最小； ( 5 ) 满刻度误差( f u l ls c a l ee r r o r ) ： 满度输出时对应的输入信号与理想输入信 号值之差： ( 6 ) 线性度( l i n e a r i t y ) ：实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包 第二章系统总体设计 9 括以上三种误差； ( 7 ) 其他指标还有：绝对精度( a b s o l u t ea c c u r a c y ) ，相对精度( r e l a t i v e a c c u r a c y ) ，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真( t o 诅1h a r m o n i c d i s t o t o r t i o n 缩写t h d ) 和积分非线性等等。 3 )如何正确选择a d 转换器 工程师在进行电路设计时，面对林林总总的a d 芯片，如何选择你所需要的 器件呢? 这要综合设计的诸项因素，如系统技术指标、成本、功耗、安装等等， 最主要依据和要求如下： ( 1 ) 精度：与系统中所测量和分析的信号范围有关，但估算时要考虑到其他因 素，转换器位数应该比总精度要求的最低分辩率高一位。常见的a d 器件有8 位，1 0 位，1 2 位，1 4 位，1 6 位等； ( 2 )速度：应根据输入信号的最高频率来确定，保证转换器的转换速率要高于 系统要求的采样频率； ( 3 ) 通道：有的单芯片内部含有多个a d 模块，可同时实现多路信号的转换； 常见的多路a d 器件只有一个公共的a d 模块，由一个多路转换开关实现分时 转换。一般通道选择满足系统要求即可，无需预留； ( 4 ) 数字接口方式：接口有并行串行之分，串行又有s p i 、1 2 c 、s m 等多种不 同标准。如果考虑速度的话，一般选择并口。考虑接口简单、占用i o 少时选 择串口： ( 5 )电源电压：有单电源，双电源和不同电压范围之分，早期的a d 器件要有 + 1 5 v 1 5 v ，电源上应选择尽量简单单一的a d ，这样方便供电； ( 6 ) 封装：现在表面安装工艺发展的很成熟，因此一般选择表贴器件。 ( 7 ) 价格与采购：在设备或者仪器设计时，必须考虑到芯片的市场价格和市场 供货情况。 在有一定使用范围的情况下，主要考虑的因素是采样信号的质量、芯片的采 购及芯片的价格。当前生产a d 转换器的主要有a d i 、t i 、m a x i m 、b b 等几家 大的公司。根据所要设计的要求，作者所研发的基于u s b 2 0 的人体脉搏信号采集 系统使用的是a d 公司生产的1 2 位a d 转换器a d 7 9 3 8 6 ，芯片的介绍见第三章3 2 的介绍。 4 其它器件的选择 除了以上的两块芯片外，系统中必需的逻辑控制器选用的是 e p m 5 7 0 g t l o o c 4 ，该器件是a l t e r a 公司生产的m a x i i 系列的f p g a ，资源大 小为5 7 0 个逻辑单元，可以满足系统逻辑时序设计的需求。放大电路选用的是 a d 8 5 3 4 和a d 8 5 3 1 ，在1 2 位a d 采集精度下，完全可以满足要求。这些芯片在选 择的过程中，主要依据是价格和仪器的性能指标，在此不作过多描述。 l o 基于u s b 2 0 的人体脉搏信号采集系统 2 2 采集系统的性能指标及应用范围分析 1 采集系统的性能指标 采集的主要性能指标有以下几点： 1 ) 多通道，最高采样率5 4 5 k h z ，模拟带宽1 0 m 2 ) 电压输入范围一5 v + 5 v 3 ) 幅度测量误差1 2 1 2 v 4 ) 频率测量误差1 0 巧 5 ) 存储深度1 2 8 k 木2 点 6 )f f t 点数最大2 0 4 8 点 7 ) u s b 接口，外置电源和总线电源同时供电 2 采集系统的应用范围 从性能指标可以看出该系统不能应用到高频领域，从功能上其还有示波器的 功能，其主要的应用领域有教学实验、工程测量以及扩展应用。 教学实验和工程测量是大家所熟悉的，对于扩展应用，指的是在该仪器的基 础上进行二次开发。如通过在前端再外加一些专用电路，进行某些特殊信号的测 量和分析，本文的第六章讲的就是这方面的应用。当然，如果提高硬件部件的某 些性能，如a d 转换器或传感器的性能，该系统将可应用于更广的信号测量和分 析。 2 3 系统设计的环境 每种仪器开发时，都需要必须的软硬件环境，本系统的开发也不例外，其需 要的环境有： 1 硬件环境 1 ) 支持u s b 2 0 功能的p c 机； 2 ) 全速高速u s b 电缆。为了保证数据传输的可靠性，即使开发的是低速的u s b 设备，最好也使用屏蔽的u s b 电缆，以保证总线的驱动能力和延时时间符合要 求； 3 ) 辅助的硬件调试工具。在硬件开发时，一般需要使用一些常用的测量仪器， 如示波器、万用表、逻辑分析仪等等。对于有些特殊的设备可能还需要协议分 析仪，这里不需要。 2 软件环境 1 ) 操作系统：建议使用w i n 2 0 0 0 系统； 第二章系统总体设计 2 ) 编写处理器固件代码的软件：不同的处理器需要不同的软件编写固件代码， 这里是5 l 处理器，使用的是k e i l 公司的k e i l c 5 1 集成开发环境； 3 ) 绘制电路板的软件：使用的是p r o t e ld x p ； 4 ) 创建设备驱动程序和下载驱动程序的工具软件。这里使用的是v c + + + d d k 的方式开发。 5 ) 时序设计软件：使用的是q u a r t u s l l 7 2 ，用于完成接口和各电路匹配工作的逻 辑时序设计； 6 ) 创建应用程序( 用户界面) 的软件工具：通用的有v c + + 、d e l p h i 以及b a s i c 等等，专用的有l a b w i n d o w s 、l a b v i e w 等等。这里使用的是l a b w i n d o w s ； 7 )其它辅助工具：在开发时可能需要使用一些其它常用的软件，比如u l t r a e d i t 、 a d o b ea c r o b a t 等，在此不做赘述。 2 4 系统总体框架与设计流程 1 系统总体框架 u s b 2 0 人体脉搏信号采集( 板卡) 信号采集模块逻辑控制模块u s b 2 0 设备总线 ( 多路) 接u 功能模块 jl u s b 2 0 人体脉搏信号采集主机( p c ) r 应用程序 l 设备驱动程序 卜l 主机总线驱动和接口 图2 3u s b 2 0 人体脉搏信号采集系统框图 基于u s b 2 0 人体脉搏信号采集系统由主机和设备两部分组成，系统框图如图 2 3 所示，在主机中，主要由主机总线驱动和接口、设备驱动程序以及应用程序三 部分组成，在设备中，主要由设备总线接口、信号采集模块以及功能控制模块三 部分组成，这里只简述其功能和工作原理，具体设计可参见后续章节。 1 ) 系统功能概述 信号分析仪的主要功能有：示波器、频域分析、数据连续采集并存储等三大 功能，频域包括幅频响应、相频响应、功率谱等功能。这些功能除了需要匹配的 硬件外，主要由主机接收数据后的处理来完成。 2 ) 系统工作原理概述 系统工作的大致过程如下：多路输入信号经前端放大器和滤波后送给a d 转 换器，f p g a 将a d 转换器转换的结果也存入端点，供主机读取。主机在接收到 1 2 基于u s b 2 0 的人体脉搏信号采集系统 这些数据后，完成各种需求的信号分析和处理。 2 系统设计流程 系统开发需要一个设计流程，u s b 2 0 数据采集系统的设计流程图如图2 4 所 示。 图2 4 系统开发流程 需要指出的是，软件的设计和调试以及最终的设备调试和测试需要经过不断 的反复，只有在使用过程中不断作出修改，才能使设备逐步的走向完善。设计的 具体过程在后续章节中有详细描述，在此不作过多描述。 第= 章系统硬件设” 第三章系统硬件设计 3 1 传感器及信号放大电路 脉搏信号获取部分是u s b 2 0 人体脉搏信号采集系统中很重要的一个环节，因 为脉搏信号采集的好坏将直接影响到后续的数据处理部分的效果以及最终所得到 的脉搏波波形分析的准确性。采用传感器检测脉搏，可以客观地得到脉搏的主要 信息，记录出脉搏信号，有利于存储和分析对人体无创伤且使用方便。常用于 脉搏测量装置的传感器有应变计式压力脉搏传感器、光电式容积脉搏传感器、电 阻抗式容积脉搏传感器、压电晶体式压力脉搏传感器、水银应变计式容积脉搏传 感器、密封腔式容积脉搏传感器；按感压触头的结构形式和材料来分，传感器可 分为刚性触头和软接触触头式。 考虑到产品价格的因素和所需精度的要求，系统选择了合肥华科电子技术研 究所研制开发的基于p v d f ( 聚偏氟乙烯) 压电膜【l3 j p “的h k 一2 0 0 0 b 型集成化脉 搏传感器，如图31 所示。该脉搏传感器采用高度集成化工艺将力敏原件( p v d f 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。 图31h k - 2 0 0 0 1 3 脉搏传感器 该传感器的主要特点： 1 、灵敏度高。 2 、抗干扰性能强。 3 、过载能力大。 4 、一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。 其技术指标： 电源电压：5 “v d c 压力量程：5 0 - - + 3 0 0 m m h g 灵敏度：2 0 0 0 u v r r l r n h g 灵敏度温度系数：1 1 0 精度：o5 重复性：05 迟滞：0 5 * 于u s b 20 的人体脉搏信号采集系统 过载：1 0 0 倍 传感器的使用方法如图3 2 及图3 3 所示，把脉搏传感器用绑带固定在被测人 的手腕外侧，随着每舒张收缩一次，动脉系统发生压力和血流量的改变，产生一 个脉搏波。在这个过程中脉搏传感器可以很好的采集到人体脉搏信号的搏动过程 并转化为同步的电压信号输出。从而使人体脉搏信号与脉搏传感器输出信号保持 同步。 圈3 2 脉搏传感器应固定的位置 j 幽3 3 脉搏传瞄嚣与被测 位置关系 根据脉搏传感器所给出的技术指标可以得出脉搏传感器输出信号的电压范围 是：一0l o6 v 。又由于人体脉搏信号的频率较低，所以在脉搏传感器与系统之间 不需要加隔离或者缓冲装置，可以直接把脉搏传感器的输出信号直接与运算放大 器的输入端相连。我们采用a d 8 5 3 l 以及a d 8 5 3 4 来对8 路信号进行放大处理，使 的脉搏信号的电压范围变为：0 - 25 v ，电路图如图3 4 所示。 d 圈3 4 信号放人电路 选取的运算放大器a d 8 5 3 1 和a d 8 5 3 4 是同一类型的放大器，它们性能优越 动态范围宽以及低电流供电，使得此类型的放大器可以很理想的应用于便携设备 工业领域和数据采集咀及控制系统。 逐 第三章系统硬件设计 1 5 此类型放大器的主要特点： ( 1 ) 放大器单边供电：2 7 6 v ( 2 ) 高输出电流：2 5 0 m a ( 3 ) 最低供电电流：每个放大器只需7 5 0 u a ( 4 ) 带宽：3 m h z ( 5 ) 压摆率：5 v 凰 ( 6 ) 不会发生相位翻转 ( 7 ) 轨对轨输入和输出 在设计的同时，考虑到信号的抗干扰能力，有必要进行滤波器的设计。根据 脉搏信号的特点，我们要合理的设计一个r c 低通滤波器，其高频的截止频率应该 在4 5 h z 。 3 2a d c 采集电路设计 在基于u s b 2 0 的人体脉搏信号采集系统的硬件设计中，使用的a d 转换器 是a d 7 9 3 8 6 ，这罩对其特点和外围电路做简单的介绍。 1 a d 转换器a d 7 9 3 8 6 介绍 a d 7 9 3 8 6 是a d 公司生产的1 2 位a d 转换器，其主要性能指标和特点有： 1 ) 8 路模拟序列输入，软件可配置模拟输入：8 路模拟输入、4 对全差分输入、 4 对伪差分输入、7 路伪差分输入； 2 ) 吞吐率6 2 5 k s p s ； 3 ) 模拟输入范围最大为5 v ( 加前端采集电路后) ； 4 ) 并行接口； 5 )低功耗3 5 m w ，工作温度范围- - 4 0 - 8 5 ； 6 ) 可5 v