[硕士论文精品]usb心电采集系统的研制及从心电图提取呼吸信号的方法探讨

第四军医大学硕士学位论文缩略语ECGRLSLMSQRSMCUMSEPCBA，DUSB缩略语表英文全称ELECTROCARDIOGRAPHRECURSIVELEASTSQUARELEASTMEANSQUAREMICROCONTROLLERUNITMEANSQUAREELLOFPRINTEDCIRCUITBOARDANALOGTODIGITALCONVERTUNIVERSALSERIALBUS第1页中文全称心电图递归最小二乘最小均方心室去极化综合波微控制器均方差印制电路板模拟数字转换通用串行总线第四军医大学硕士学位论文USB心电采集系统的研制及从心电图提取呼吸信号的方法探讨硬士研究生席涛导师杨国胜第四军医大学生物医学工程系电子学教研室，西安710032中文摘要人体与外界环境进行气体交换的总过程，称为呼吸。呼吸是人体重要的生理过程，对人体呼吸的监护检测是现代医学监护技术的一个重要组成部分。呼吸频率是呼吸行为一项重要的参数，通过对呼吸率的研究分析，可以获得许多隐藏在其背后的内在的生理信息，并且对它的检测也较易实现，所以现有的呼吸监护设备主要监测的就是呼吸频率。大量幅床资料显示，呼吸运动会引起心电图的变化。通过心电图，我们可以观察到在呼吸周期内由胸部运动和心脏位置变化所引起的心电波形峰峰值的改变。这是由于呼吸周期内，描述心脏电波主要传播方向的心脏电轴旋转造成ORS波群形态发生了变化。自适应滤波是近30年来发展起来的信号处理方法，广泛应用于系统辨识、回波消除、自适应谱线增强、自适应信道均衡、语音线性预测、自适应天线阵等诸多领域中。经过验证，R波间期时间序列和R波幅度时间序列中的噪声成分互不相关，它们与呼第2页第四军医大学硕士学位论文吸信号也不相关。本论文在深入研究国内外呼吸信号检测方法的基础上，根据呼吸行为导致心电图周期性变化的特点，采用自适应滤波仿真的办法，设计了新的呼吸信号提取方法。本论文主要完成了以下工作设计了心电信号数据采集系统。具体完成了数据采集系统中单片机控制程序、USB数据采集与传输单元的硬件电路以及USB设备驱动程序的设计，并绘制印刷电路板。设计实验方案，获取心电信号。提取心电信号中R波间期序列和R波幅度序列，分析信号的性质和关系，确定自适应滤波算法中原始输入信号和参考输入信号，利用MATLAB软件对算法进行仿真，得出较为理想的估算结果。本论文的主要创新点包括提出了通过对心电图进行自适应滤波提取呼吸频率信号的方法。真正意义上实现了单一心电检测电路提取心电、呼吸两路信号。利用自适应滤波算法从心电信号中提取呼吸信号的方法，不仅具有高效、无创等优点，还利用心电检测技术中已有的设备解决了其他方法中电极和激励电源的问题，使呼吸监测的动态化、实时化成为了可能。关键词呼吸频率检测；心电图信号；自适应滤波；递归最小二乘法MSP430；USB；MATLAB第3页第四军医大学硕士学位论文THEDESIGNOFTHEECGDATAACQUISITIONSYSTEMBASEDONTHEUSBPROTOCOLANDTHESTUDYOFTHEMETHODFORDERIVINGRESPIRATORYSIGNALFROMECGSIGNALCANDIDATEFORMASTERXITAOSUPERVISORYANGGUOSHENGDEPARTMENTOFELEC缸ONICS，FACULTYOFBIOMEDICALENGINEERING，FOURTHMILITARYMEDICALUNIVERSITY,XIAN710032，CHINAABSTRACTRESPIRATIONISTHEEXCLUMMGINGPROLCESSOFGASBETWEENHUMANSBODYANDTHEENVIRONMENTITISTHEIMPORTANTPHYSIOLOGICALPROCESSOFHUMARLTHEDETECTIONOFTHERESPIRATIONISALSOAIMPORTANTCONSTITUTEOFTHEMODERNIATRICALWARDTECHNOLOGYTHERESPIRATORYFREQUENCYISASIGNIFICANTPARAMETEROFTHERESPIRAFIONWECANOBTAINMANYHIDDENINFORMATIONTHROUGHANALYSISOFITFORTHEDETECTIONFORTHERESPIRATORYFI宅QUENCYISEASYTOREAJJZE，ITISTHEPRIMARYOBJECTFORTHEEXISTINGRESPIRATORYDETECTINGEQUIPMENTPLENTIFULCLINICALDATASHOWEDTHATTHERESPIRATIONWOLLLDCAUSETHECHANGEOFTHEECGMORPHOLOGICBEATTOBEATVARIATIONSCANBE第4页第四军医大学硕士学位论文OBSERVEDINTHEECODURINGTHERESPIRATORYCYCLEASOAUSEDBYCHESTMOVEMENTSANDCHANGESINTHEPOSITIONOFTHEHEARTDURINGTHISCYCLETHEELECTRICALAXISOFTHEHEART，DESCRIBINGTHEMAINDIRECTIONOFTHEELECTRICALWAVEPROPAGATION，ISSUBJECTEDTOROTATIONWHICHCAUSESVARIATIONSINQRSMORPHOLOGYADAPTIVEFILTERINGISTHESIGNALPROCESSINGMETHODDEVELOPEDFROMRECENT30YEARSITISWIDELYUSEDINSYSTEMIDENTIFICATION，NOISECANCELLATION,CHANNELEQUALIZATIONPREDICTIVECODING,ETCITHASBEENVALIDATETHATTHENOISECOMPONENTOFTHERRINTERVALSERIESANDOFTHERWAVEAMPLITUDESERIESISNOTCORRELATEDWITHEACHOTHERANDTHEY孵NOTCORRELATEDWITHTHERESPIRATORYSIGNALEITHERTHISTHESISTHOROUGHLYSTUDIEDTHEDOMESTICANDOVERS哪RESEARCHONTHERESPIRATORYSIGNAL出征砒INGMETHODSBASEONTHEECGPERIODICI锣VARIATIONSCAUSEDBYTHERESPIRAORYACTIVITY,WEDESIGNEDANEWMETHODTOOBTAINTHEMSPHATORYSI刚USEDTHEAD删VEFILTERINGTECHNOLOGYTHERESEARCHWORKHASBEENCARRIEDOUTFROMTHETHREEASPECTSINTHISTHOSISDESIGNEDTHEECGDATAACQUISITIONSYSTEMINTHISSYSTEM,IDESIGNEDTHEMCUSOFTWARE。THEH棚DW缸EOFUSBDATATRANSFERUNITANDTHEUSBDEVICEDRIVERDESIGNEDTHEEXPERIMENTSCHEMETOOBTAINTHEECGSIGNALABSTRACTEDTHERRINTERVALSERIESANDTHERWAVEAMPLITUDESERIES；ANALYZEDTHETWOSIGNALSQUALITYAND第5页第四军医大学硕士学位论文CON_ELATION；MAKESLLLFETHEPRIMARYINPUTSIGNALANDTHEREFERENCEINPUTSIGNAL；USETHEMATLABTOEMULATEDTHEALGORITHMANDCOMPUTEDTHEESTIMATEDRE汕1F1地THESISOBTAINEDTHERULTASFOUOWDESIGNCDTHEMETHODFORDERIVINGRESPIRATORYSIGNALFROMECGSIGNALBASEDONTHEADAPTIVEFILTERINGMGOFITHMITISREALIZEDTHATOBTAININGTHEECGANDRESPIRATORYSIGNALFROMTHESINGLEECGSIGNALDETECTINGHARDWARETHEMETHODFORDERIVINGRSPIRATORYSIGNALFROMECGSIGNALBASEDONTHEADAPTIVEFILTERINGALGORITHMISHI曲EFFICIENCY,NONINVASIVEANDITHASSOLVEDTHEPROBLEMOFTHEELECTRODEANDTHEPOWERTHISMETHODMAKETHEDYNAMIC，REALTIMERESPIRATORYMONITORINGPOSSIBLEKEYWORDSDETECTINGOFTHERESPIRATORYFREQUENCY；ECGSIGNAL；ADAPTIVEFILTERING；RCCURSIVELEASTSQUAREALGORITHM；MSP430；USB；M棚AB第6页第四军医大学硕士学位论文前言和文献回顾1呼吸监护的意义人体与外界环境进行气体交换的总过程，称为呼吸RESPIRATION。通过呼吸，人体不断地从外界环境摄取氧，以氧化体内营养物质，供应能量和维持体温；同时将氧化过程中产生的二氧化碳排出体外，以免二氧化碳过多扰乱人体机能，从而保证新陈代谢的正常进行FL】。所以，呼吸是人体重要的生理过程，对人体呼吸的监护检测也是现代医学监护技术的一个重要组成部分，在运动医学、军事医学以及医学科学研究中，呼吸检测都是一项重要的生理指标。但目前呼吸监护技术的发展滞后于心肌管监护技术，临床医生重“心”轻“肺”的现象普遍存在。随着社会进步和人民生活水平豹不断提高，人们已经不再满足有病才看医生的被动模式，他们更希望能在疾病爆发之前就得到预警，或是在无法实现住院治疗的情况下了解自身的健康状况。这样，能够实现实时、动态、连续监护人体生理指标的便携式监护设备就成为了未来家庭健康保健的首选，也是临床诊断和治疗所必不可少的。现代监护技术要求连续监测各种生理参数，做到无创、准确、稳定，尽可能减少不适感，无过敏反映，这其中需要解决的问题颇多。呼吸监护同样面临这样的困难，它已经不仅仅局限予对呼吸频率、呼吸节律、动脉血气以及普通胸片等常规项目的检查，能确切反映患者通气氧合状况并能指导机械通气治疗参数调节和临床用药的指标更加受到重视。但在现有的技术条件下，要实现用便携式呼吸监护设备实时动态连续监护这一系列的生理参数，是非常困难的。呼吸频率是呼吸行为一项重要的参第7页第四军医大学硕士学位论文数，通过对呼吸率的研究分析，可以获得许多隐藏在其背后的内在的生理信息，并且对它的检测也较易实现，所以现有的呼吸监护设备主要监测的就是呼吸频率。2呼吸信号的检测方法的文献回顾作为一项重要的临床生理指标，人们愈来愈重视对呼吸行为的监护。近几十年来，国内外的研究者们采用了各种方法检测人体的呼吸信号，形成了各自的理论和方法。21常用呼吸信号检测方法211用压力传感器获取呼吸信号压力传感器也称为应变式传感器。呼吸运动时，随着呼气和吸气的周期性变换，呼吸管道以及胸腹部都会产生周期性的形变。压力传感器就是从这个现象出发，设法感受呼吸时呼吸管道和胸腹部的这种周期性形变，以此测定呼吸频率嘲。压电式传感器的输出信号非常微弱。一般需要将电信号放大后才能捡测出来。按照压电传感器的工作原理，传感器输出的是电压信号或电荷信号，因此前置放大器也有两种形式一种是电压放大器，其输出电压与输入电压成正比，这种放大器通常称作阻抗变换器；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷量成正比。根据流体力学和热力学原理，人在呼吸时，因气体的流动，流动的气体会对周围产生瞬间压力，如果在呼吸管道上放置压力传感器，该压力传感器会将呼吸信号转换为电压信号，再通过放大、检波和AD转换，或通过功率放大再至记录和数据处理；也可将压力传感器放置在胸部或腹部，根据胸腔的扩大和缩小的节律性交替改变，引起胸部、背部以及腹部的起伏变化产生电压信第8页第四军医大学硕士学位论文号，再进行放大处理，即可获得呼吸信号。212用温度传感器获取呼吸信号利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将温度的变化转化为电量的变化，这就是温度传感器【2】。常用的温度传感器有热敏电阻、PN结、热电偶、石英晶体、红外热探测器和液晶测温膜等。因呼吸气流的温度变化不大12“C，故用于呼吸温度采样的传感器一般是热敏电阻式传感器。几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度的变化而变化，这一物理现象称为热电阻效应。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热敏电阻。在一定的温度范围内，大多数金属比如铂和铜的电阻率几乎与温度成正比，电阻与温度的关系为公式1；R，R。【LATT捌1式中RO_一元件在TO时的电阻；值T0时的电阻温度系数；RR韫度为T时元件的电阻值。金属的温度系数为正，即电阻值随着温度的升高而增大。半导体热敏电阻分为3类，即负温度系数99呦的全扫描设计确保了高品质双电源操作3303V或扩展的5V电源范围为3655V多中断模式实现批量和同步传输14。22PDIUSBDL2接口芯片的工作原理接口芯片D12的功能框图如图15所示犯71，它可以被理解为一个智能的串并转换器，能够自动监测USB总线上的数据流，解释物理层的数据传输协议，把主机传来的串行数据流以并行方式提供给单片机，把单片机传来的并行数据以串行方式发送到主机。当D12从USB总线上接收到一个有效的数据包或者发现主机正在第25页第四军医大学硕士学位论文从本设备请求读取数据时，会触发中断、通知单片机进行服务。图15D12的功能框图利用D12可以实现包含6个端点索引的设备，其中控制输出、控制输入端点EPO、EPL主要用于与WINDOWS操作系统通讯实现设备枚举，辅助输出、输入端点EP2、EP3和主输出、主输入端点EP4、EP5可以用于与应用程序通讯实现传输用户数据的功能。D12的每个端点都对应有一个FIFO结构的缓冲区，它把从USB总线上接收到的数据包暂存于缓冲区，等待单片机读取，D12发送到USB总线上的数据也取自缓冲区。单片枫通过读写相应的缓冲区，即可实现与主机的数据通讯。第26页第四军医大学硕士学位论文1423PDIUSBDL2接口芯片的管脚定义芯片D12提供了高效灵活的管脚接口方式，可以非常方便的与单片机以及其他逻辑电路配合工作，实现特定功能的USB设备。此芯片共有28个管脚，采用TSSOP28封装，具体的管脚定义如图16所示1271。各个管脚的功能描述如下图16D12管脚定义DATA708位双向数据总线RUN“读”选通信号，低电平有效WRN“写”选通信号，低电平有效ALE“地址锁存”信号。在“多路地址数据总线”配置中使用，在其下降沿，将数据总线上的地址信息锁存入芯片在“单路地址数据总线”配置中，需要将其固定连接到低电平。AO地址位。仅在“单路地址数据总线”配置中使用，AO1选择命令，AO0选择数据。在“多路地址数据总线”配置时，将忽略本信号，可固定连接到高电平。CS_N“片选”信号，低电平有效。当此管脚为高电平第27页舶圣黧II兰三|喾鼍第四军医大学硕士学位论文INTND姒REQETNRESETNGLNSUPENDXTALI2时，芯片D12将忽略各控制信号，数据总线将悬空。“中断”信号，低电平有效。此信号由D12开漏输出，需要在芯片外部加上拉电阻上拉到高电平。当由于USB总线上的数据活动使得芯片D12的工作状态发生改变时，本信号变为低电平。“DMA请求”信号，高电平有效。此信号由D12输出，在DMA操作过程中，当D12内部“写缓冲区”存在有效数据时、“读缓冲区”不满时，D12将有效本信号。“DLLI应答”信号，低电平有效。在DMA操作过程中，只有有效本信号，RD_N或WR_N信号才有效。“DMA传输结束”信号，低电平有效。用于结束DMA传输，与DMACK_N和RD_NWR_N同时有效才可以终止DMI传输。“复位”信号，低电平有效该管脚可以固定连接高电平。GOODLINKLED指示信号，低电平有效。“挂起”指示信号。可编程时钟输出。此管脚输出芯片D12内部48MHZ时钟经过可编程分频系数分频后产生的时钟。6MHZ晶体连接端。电源管脚。电压范围4O55V，要使芯片工第28页笙璺至堕查堂堡主堂篁笙苎作与33V，需要同时对K和S都提供33V电压。V。33V调整输出。GND地。DD连接USB总线数据线。143硬件电路设计USB接口芯片PBIUSBDL2与单片机MSP430F169连接的原理圈如图17所示【27】图I7USB芯片与单片机芯片连接原理图芯片D12D的中断信号INTN接F169的P12，并把F169的P12配置为中断模式以响应D12的中断。D12的控制信号RD_N、WRN、A0接F169的P1口的第0、L、3位。D12的8位数据总线接F169的P2口。在本单元中配置D12工作于“单地址数据总线”方式，使D12的ALE和CS_N接地以表示这是一个独立的总线配置。由于没有使用DMA数据传输模式，所以把D12的D姒CK第29页第四军医大学硕士学位论文和EOT上拉。USB接口芯片PDTUSBDL2的详细外围电路如图I8所示【271。E酐DO喇、ZL一DDI、PD2咚辜詈RDAXE山I4D51|军奇D4所TL。讲XR札L鼯CLKOUT憔蕊RMVQM，、礴连祥氅譬亡D茁瑚器曼盈毛弓瞥SUSP翻D露厅图18D12外围电路原理图1。5USB数据采集与传输单元控制软件的设计USB数据采集与传输单元的控制程序分为三部分单片机控制程序、USB设备驱动程序和主机的数据读取应用程序。其中单片机控制程序固化在单片机内，运行在心电数据采集器上；USB设备驱动程序运行在计算机上，当数据采集器连接到计算机后，WINDOWS操作系统自动启动驱动程序，驱动程序将成为WINDOZS操作系统核心的一部分；数据读取应用程序也在计算机上执行，由操作人员启动，它通过设备驱动程序与心电数据采集器硬件连接，从硬件读取采样数据。151单片机控制程序的设计USB数据采集与传输单元完成心电信号的数据采集、存取和传输到计算机的功能。它包括AD采样程序、USB标准设备命令第30页第四军医大学硕士学位论文程序、数据传输程序。其中，AD采样程序由中断驱动、工作在后台，数据传输程序由操作人员通过采集器的人机界面选择执行，USB标准设备命令程序则由数据传输程序调用执行。1511采样数据缓冲区的设计在本系统中，从2K字节的单片机片内数据RAM区为AD采样程序分配了1K字节作为保存采样数据的数据缓冲区。整个缓冲区被分成两部分，各512字节，根据他们的工作状态分别称作采样缓冲区和传输缓冲区，它们分别被中断驱动的AD采样程序和前台工作的数据传输程序使用，并定义了两个指针PSAMPLE和PTRANSFER来管理和访问这两部分数据缓冲区。数据采集过程中，AD中断后，AD采样程序使用采样指针PSAMPLE操作其中一个数据缓冲区采样缓冲区，把AD转换的结果从AD结果寄存器ADCL2陋MOADCL2陋鹄传输到PSAMPLE指向的采样缓冲区。在传输过程中调整指针PSAMPLE，当PSAMPLE指向采样缓冲区尾部时指示采样缓冲区已经被填满，此时应切换两个缓冲区的功能。原采样缓冲区变为传输缓冲区，传送指针PTRANSFER指向该缓冲区的首部，前台工作的数据传输程序将把其中的数据存入数据存储单元或者通过USB总线直接传输到计算机；同时，原传输缓冲区变为采样缓冲区，将指针PSAMPLE指向该缓冲区的首部，后续的AD转换数据将被存储在该缓冲区内。该缓冲区被填满后，再次切换缓冲区。通过合理的优化程序、设置合适的数据采样率可以在AD采样程序填满采样缓冲区之前，使传输缓冲区内的数据已经全部被数据传输程序传送完毕，从而实现无丢点连续数据采集。第3L页第四军医大学硕士学位论文1512D采样程序的流程心电数据采集系统中的采样数据直接经过USB总线传送到计算机，其中数据传输程序工作与前台，AID采样程序由AID中断驱动，工作于后台。AID采样程序的流程如图19所示。图19AD采样程序流程图第32页第四军医大学硕士学位论文本系统中，AD转换由TIMER定时器启动，AD转换结束后产生中断，进入AD采样程序。在采样程序中，首先必须重新使能ADCL2，否则，后续的TIMER事件将不能启动AD转换。这个功能由以下两条语句完成BICENC，ADCL2CTLODISABLEADCL2BISENC，ADCL2CTLOREENABLEADCL2之后，AD采样程序把AD转换的结果从AD结果寄存器转移到采样缓冲区，共有4个通道、8个字节的数据需要转移，转移过程中使用指针PSAMPLE访问采样缓冲区，转移结束后调整PSAMPLE指针。最后，判断PSAMPLE指针是否移到采样缓冲区尾部，如果指向尾部说明采样缓冲区已经被填满、应该切换缓冲区的功能。此时，根据传输指针PTRANSFER是否指向传输缓冲区的尾部，判断传输缓冲区内的数据是否已经全部被数据传输程序传输到计算机或外部存储器单元。如果已经传输完毕，则切换缓冲区、使两个指针分别指向两个缓冲区的头部；否则说明数据溢出，设置溢出标志，同时使PSAMPLE指针退回采样程序本次执行前的位置、废弃本次AD转换的结果。在调试过程中，遥过检测溢出标志，可以得到保证连续无丢点数据采集所能达到的最高数据采样率。1513数据传输程序的设计数据传输程序实时地把采样数据通过USB总线传输到计算机。程序的流程图如图110所示。第33页第四军医大学硕士学位论文图110数据传输程序流程图第34页第四军医大学硕士学位论文程序中，首先初始化程序参数，包括初始化数据指针PSAMPLE、PTRANSFER等参数，初始化USB控制芯片D12，控制D12建立与USB总线的连接。初始化后程序进入循环。在循环中，首先判断是否接收到主机操作系统发来的、IJSB协议定义的、用于设备枚举的标准设备命令，如果发现则进入标准设备命令处理程序，响应协议定义的标准设备命令，完成设备枚举过程。然后判断是否接收到主机应用程序发送来的设备自定义命令，数据传输程序响应4个设备自定义命令查询工作模式、设置采样参数、开始采样和结束采样。其中主机应用程序使用查询工作模式命令确认设备工作于在线采集模式设置采样参数命令用于设置采样率等采样参数；开始采样命令启动AD单元工作、打开AD中断、启动采样；暂停采样命令用于暂停AD中断；应用程序发送结束采样命令后，设备关闭AD单元、停止采样，退出数据传输程序。最后，在程序中判断数据缓冲区中是否存在等待传输的采样数据，如果存在，则把采样数据以64字节为一个数据包的方式写入USB控制芯片D12，D12在下次主机读取数据时，自动发送到主机。1514标准设备命令处理程序的设计标准设备命令处理程序响应USB协议定义的标准设备命令，完成USB设备枚举过程随23，2牡”O】。在USB设备枚举过程中，计算机主机和操作系统将根据需要向设备发送一系列的标准USB协议命令，以获得设备的信息，并对设备进行配置。USB设备必须在一定时间内回应主机的命令，第35页第四军医大学硕士学位论文否则，主机将认为这是一个不可识别的设备。只有在USB设备被操作系统成功枚举，并由操作系统加载相应的设备驱动程序后，主机应用程序才可以与设备建立数据通道，把采集到的数据从设备传输到主机应用程序。在USB协议11版中，针对USB设备定义了11种标准设备命令，标准设备命令以SETUP包的格式从主机系统传输到USB设备，SETUP包的格式如表11所示。表1LSETUP包数据格式字段名字段长度说明定义了龠令的类型、目标、后续命令类型L数据的传输方向等特征。命令1共有11种标准命令。值2根据命令丽变化的字段，用于传索引2输命令的参数。如果命令需要传输数据，则此字长度2段定义了传输的数据长度。各种标准设备命令的目的和单片机程序应进行的处理过程描述如下设置清除特征命令，SETCLEARFEATURE。用于设置设备的端点状态和远程唤醒功能。单片机程序根据命令的参数启动关闭USB设备的远程唤醒功能，激活停止莱个端点。获取设置描述符命令，GETSETDESCRIPTOR。其中，设置描述符命令是可选的，只有那些需要在运行过程中进行更新的设备才需要支持此命令，本设备没有支持此命令。获取描述符命令用于从设备获取描述符，命令的参数用于确定描述符类型设备、配置、接口、字符串描述符，单片机程序根据命令的参数，第36页第四军医大学硕士学位论文把指定的描述符返回主机。主机根据设备的描述符，选择设备的配置和接口。获取设置配置命令，GETSETCONFIGURATION。设置配置命令时，单片机程序根据参数选择设备的配置。获取配置命令时，单片机程序将当前的配置号返回主机。获取设置接口命令，GETSETINTERFACE。设置接口命令时，单片机程序根据参数选择设备使用的接口。获取接口命令时，单片机程序将当前的接口号返回主机。设置地址命令，SETADDRESS。此命令的参数中包含了主机为USB设备分配的地址，单片机程序接收到此命令后，应把分配的地址设置到USB控制芯片D12。获取状态命令，GETSTATUS。此命令的参数中指定了获取状态的目标，单片机程序根据参数将设备接N端点的状态返回主机。同步时间片命令，SYNCFRAME。此命令由同步端点使用，本设备没有处理此命令。典型的USB设备枚举过程包含如下的标准设备命令序列请求设备描述符GETDEVICEDESCRIPTOR目标是设备描述符的长度、只需要发送其前8个字节。设置地址SETADDRESS需返回一个0字节的数据包。请求设备描述符得到全部的设备描述符。请求配置描述符GETCONFIGURATIONDESCRIPTOR。请求支持的语言种类的描述符LANGUAGEID美国英语0X0409、中文0X0804。请求设备序列号字符串描述符。第37页第四军医大学硕士学位论文请求配置描述符得到全部的配置描述符，包括配置描述符、接口描述符、端点描述符。请求支持的语言种类的描述符。请求产品字符串描述符。再次请求设备描述符。再次请求配置描述符。设置配置SETCONFIGURATION，使能普通，同步端点。在一个具体的USB设备枚举过程中，可能会根据需要而增减枚举命令、颠倒命令顺序，所以单片机程序不能按照固定的枚举流程来设计，而是需要设计成为一个分支程序。根据SETUP包的命令、类型、值、索引等字段进行分支，其中最重要的部分是对获取描述符命令的响应。整个标准设备命令处理程序流程如图111所示。上L根据“命令”字段分支上上获取描述符L根据“倌一字宵分支处理其他标0上山准设备龠令发送“索发送发送引”字段设备描配置描指定的字符串述符述符糕诔蒋上上上上、退出退出标准命令处理程序一圈111标准设备命令处理程序流程图第38页第四军医大学硕士学位论文152US设备驱动程序的设计在WINDOWS操作系统下，任何US8设备都需要有US8驱动程序的驱动才能正常工作。USB驱动程序采用了分层结构USB功能驱动程序和USB总线驱动程序。USB总线驱动程序由WINDOWS操作系统提供，与实际的硬件打交道，处理所有的底层I0而USB功能驱动程序，即USB设备驱动程序通过调用USB总线驱动程序间接与硬件打交道，需要针对USB设备自行开发【311。USB设备驱动程序是应用程序和操作系统之阉的一个桥梁。当应用程序需要对设备进行IO操作时，它调用WMDOWSAPI函数如READFILE，此调用被操作系统的IO管理器接受，并构造为一个IRPIOREQUESTPACKET传递给USB功能驱动程序，USB功能驱动程序分析接受到的IRP，按照设备能够识别的格式构造新的IRP，传递给USB总线驱动程序，由USB总线驱动程序控制USB控制器，把新构造的IRP转变为USB总线上的数据传输活动，实现操作设备的功能。有多种开发USB设备驱动程序的工具WMDDK、DRIVERSTUDIO等。本单元采用MICROSOFT提供的WM2000DDKT具，在WM2000操作系统下开发了设备的驱动程序，由于WMDDK系列开发工具源代码兼容，把驱动程序的源代码用WM98DDK工具重新编译，即可得到WMDOWS98操作系统下的设备驱动程序。USB设备驱动程序是支持帮插即用功能的标准WDMWIUDOWSDRIVERMODEL驱动程序。它需要响应添加设备、启动设备、停止设备、删除设备、电源管理等请求；还要提供设备接口，响应应用程序的打开设备、关雨设备、读写设备以及IOCTL命令。第39页第四军医大学硕士学位论文1521驱动程序的入口点在WINDOWS操作系统下，驱动程序必须包含一个被称为DRIVERENTRY的过程，这个过程就是驱动程序的入口点。当驱动程序被装入时，操作系统内核自动调用其DRIVERENTRY过程。DRIVERENTRY过程仅在设备驱动程序的装入过程中执行。DRIVERENTRY过程的主要工作是向操作系统注册回调函数。这些回调函数的功能是处理操作系统IO管理器发送的设备请求，它们被提交到系统后，将成为系统的一部分，由系统IO管理器根据需要适时调用。表12列出了需要注册的回调函数和对应的设备请求。表12需要注册的回调函数和对应的设备请求设备请求回调函数名称ADDD妇USBPNPADDDEVICEIRPMJPNPUSB_PMCPNPHPMP_MJ_CREATEUSBCMA把MP_MJ_CLOSEUSBCLOSEIRP_MIDEVICECONTROLUSB_PROCIOCTLMPMJWRRREUSBWRITEIRPMJREADUSBREADIRP_MI_SYSTEM_CONTROLUSBPCSYSC锄H口IHPN婶_MJ30WERUSB_PROCPOWERLQ口DRLVERUNLOADUSB_UNJOAD1522USB_PNPADDDEVICE过程当一个数据采桑器硬件连接到计算机后，操作系统的设备管理器将调用本驱动程序的USBPNPADDDCVICC过程。USBPNPADDDCVICC过程的工作是创建设备的连接名，供应第40页第四军医大学硕士学位论文用程序使用，创建和初始化一个设备对象DEVICEOBJECT，供驱动程序使用，并把该设备对象连接到设备堆栈。USB_PNPADDDEVI过程首先使用LOREGISTERDEVICEINTERFACE函数包I建设备的连接名，此函数向IO管理器注册设备接口，并返回设备接口的名称。当多个数据采集设备同时连接到同一个计算机时，设备管理器会多次调用本过程，也会多次在本过程中调用IOREGISTERDEVICEINTERFACE函数向IO管理器注册接口，此时IO管理器将返回不同的设备接口名称，一般通过接口名称字符串最后面的数字来区分不同的设备。创建设备的连接名后，需要使用IOSETDEVICEINTERFACESTATE函数启用设备接口，只有启用了的设备接口才可以被应用程序使用。然后，USB_PNPADDDEVICE过程使用LOCREATEDEVICE函数创建并初始化设备对象。此设备对象供驱动程序使用，并在处理“删除设备”请求时使用IODELETEDEVICE函数删除。最后，在USB_PNPADDDEVICE过程使用IOATTACHDEVICETODEVICESTACK函数，把创建的设备对象连接到设备堆栈。只有所有的步骤都成功执行，USB_PNPDDDEVICE过程才返回“成功”如果中间任何一部没有执行成功，此过程返回“不成功”，提示操作系统管理器，此设备不能使用。15。23USBPROOPIRP过程操作系统的IO管理器调用驱动程序的USB_PNPADDDEYICE过程返回“成功”之后，管理器将向设备驱动程序发送一系列PILP请求，并调用USB_PROCPNPIRP过程处理这些请求，设备驱动程序只需要处理其中的一部分感兴趣的请求，其他的请求只需要转发给下级驱动程序，即操作系统的USB总线驱动程序处理即可。表第41页第四军医大学硕士学位论文13列出了在本驱动程序中处理的PNP请求和简单的说明。表13在驱动程序中处理的PNP请求PLLP请求说明管理器为设备分配资源后发出本请求。设备可能刚被成功枚IRP_MN_STARTDEVICE举，也有可能是停止、熏新配置资源后，重新启动。在“停止设备”之前，管理器使用本请求向驱动程序查询是否IRP_MN_QUERYSTOP_DEVICE可毗停止设备。如果本驱动认为设备不能被停止。则管理器会发出一个撤销停止请求。IRPMNCANCELSTOP_DEVICE“撤销停止”请求。如果驱动接收了管理器的。查询IRPMNSTOP_DEVICE停止设备”的请求管理器就会发“停止设备”命令。在“删除设备”之前，管理器使用本请求向驱动程序查询是否IRP_MN_QUERYREMOVEDEVICE可以删除设备如果本驱动认为设备不能被删赊，则管理器会发出一个撤锖删除请求。IRPMNCANCEL_REMOVEDEVICE“撤销删除”请求。操作人员没有首先停止设备，J面是直接将设备从USB总线拔IRPMNSURPRISE_REMOVAL出，管理器回发送“意外删除”请求，IRPMNREMOVE_DEVICE“删除设备”请求。1524USB_CREATE过程当应用程序使用CREATEFILE函数创建设备句柄时，操作系统第42页第四军医大学硕士学位论文的1O管理器将调用本驱动程序的USBCREATE过程。在USB_CREATE过程中，首先分析应用程序在调用CREATEFILE函数的参数中指定的设备名称，从中解析出目标硬件端点。如果指定的端点没有被打开，则在驱动程序内部标示此端点为打开状态，然后返回“成功”，并把相应端点的信息返回给IO管理器，管理器根据此信息构造一个句柄返回应用程序。从而就在应用程序的旬柄和硬件的端点之间建立了一个数据通讯的管道。1525USBC10S6过程当应用程序使用CLOSEFILE函数关闭已经打开的设备句柄时，操作系统的IO管理器将调用本驱动程序的USBCLOSE过程。在USBCLOSE过程中，首先在驱动程序内部标示此管道已经关闭，然后刿断此管道是否还有数据操作并等待已有的数据操作执行完成，最后返回“成功”。从而关闭先前在应用程序与硬件之间建立的数据通讯管道。1526USB_READ过程当应用程序调用READFILE函数使用先前建立的数据通讯管道从设备读取数据时，操作系统的IO管理器将调用本驱动程序的USB_READ过程。在USB_READ过程中，首先判断管道是否打开，如果管道已经打开，则把相应的IRP重新封装，发送给下级驱动，即操作系统的USB总线驱动程序处理；如果管道没有打开，则直接返回错误信息。1527USB_WRITE过程与USB_READ过程相似，当应用程序调用WRITEFILE函数使用第43页第四军医大学硕士学位论文先前建立的数据通讯管道向设备发送数据时，操作系统的IO管理器将调用本驱动程序的USB_WRITE过程。在USB_WRITE过程中，也是简单的把相应的IRP重新封装，发送给下级驱动，即操作系统的USB总线驱动程序处理即可。1528USB_PROCIOCTL过程响应应用程序的DEVICELOCONTROL函数调用。1529USB_UNIOAD过程本过程仅当设备被删除、操作系统准备卸载本驱动程序时被调用。本过程是驱动程序最后一个被调用的过程。一般的驱动程序应该在这个过程中释放驱动程序中申请的全局资源，由于在本驱动程序中，所使用的资源在USB_PNPADDDEVICE过程中分配，在USB_PROCPNPIRP过程处理IRPMNREMOVE_DEVICE消息时释放，所以在本驱动程序中，USBUNLOAD过程不需要做任何处理。本过程返回后，操作系统将把驱动程序从内存中卸载。153主机的数据读取程序主机的数据读取程序的功能是，把心电信号数据采集系统采集的心电数据读取到计算机，并存入文件，供后续的分析和处理使用。主机的数据读取程夸作为一个线程，是整个实验数据管理程序的一部分，构成了实验数据管理程序的数据传输模块。其流程如图112所示。第“页第四军医大学硕士学位论文图112主机读数据线程流程图第45页第四军医大学硕士学位论文进入读数据线程后，首先使用标准API函数CREATEFILE打开设备驱动程序，创建经过USB设备驱动程序、USB总线驱动程序、USB控制器、USB总线到USB设备的数据管道，建立与数据采集系统硬件的连接。接着程序进入一个循环。循环中，判断操作人员是否修改了采样参数，如果采样参数有变动，则先停止采样，再设置采样参数，最后继续开始采样。然后，使用标准API函数READFILE，从设备读取一块数据，数据块的大小根据采样率而定，两者的函数关系如公式1I。数据块大小采样率8DIV15DIV64X6411如此设定的数据块大小是64字节的倍数，符合设备的数据传输要求；而且可以在保证传输速率的情况下，使READFILE函数尽快返回CORRCOEFDATARR，DATAAMANS10000007570075710000由于相关系数趋近于零，证明RR间期序列和跚幅值序列数据的相关性较差，可以作为自适应滤波的原始输入信号和参考信号进行数据分析。42MATLAB中的仿真工具SIMULINK高性能、低成本以及生产和更新换代周期短是当今企业对产品设计的最基本要求，模型化、模块化以及动态仿真则是产品设计者对设计工具的最基本要求。对此，MATLAB提供了完全满足此要求的工具SI哪LINK。不仅如此，SIMULINK实际上提供了一个系统级的建模与动态仿真的图形用户环境，并凭借IATLAB在科学计算上的天然优势，建立起了从设计构思到最终要求的可视化挢粱，大大弥补了传统设计和开发工具的不足。43在SIMIINK中对心电信号进行RLS自适应滤波从SIMULINK中的仿真器件库中找到RLS自适应滤波器RLSADAPTIVEFILTER，并在它的基础之上设计出了提取心电信号中第63页第四军医大学硕士学位论文调制的呼吸信号的自适应滤波算法，其原理框图如图43所示。图43从心电信号中提取呼吸信号的RLS自适应滤波算法原理框图由心电图信号中提取出来的R波间期序列和R波幅度序列经过RLS自适应滤波仿真，在滤波器的输出端获得了估算出的呼吸信号，其时域波形如图44所示。T，S图44估算呼吸信号的时域波形对估算出的呼殁信号在频域进行频谱分析，得到其频谱波形如图45所示第64页第四军医大学硕士学位论文蟊。譬0篓0去0图45估算呼吸信号的频谱为了验证估算呼吸信号的可信度以及自适应算法的性能，特别采用由束缚在受试者胸部的压电传感器获得的同期的真实呼吸信号作为比照。图46和图47分别给出了真实呼吸信号的时频域波形。暴。甚0錾0士0TS图46真实呼吸信号时域波形图47真实呼吸信号的频谱由图中可以看出，通过对心电信号进行RLS自适应滤波仿真得到的呼吸信号与真实的呼吸信号在时域上显示出了良好的相关第65页第四军医大学硕士学位论文性，其频谱与真实信号的频谱在同样的频点上显示了主峰值，也证明了滤波器的输出与呼吸信号的一致。通过上分析，自适应滤波技术是获取调制于心电图中的呼吸信号的一项有力的工具。采用自适应滤波设计，输入信号直接取自原始心电图信号，不必另外添加测量电极，降低硬件成本。更为重要的是，当呼吸信号无法直接获取时，它为传统的心电图分析甚至是长期HOLTER监护记录提供了新的临床信息。第66页第四军医大学硕士学位论文小结呼吸是人体重要的生理过程，对人体呼吸的监护检测也是现代医学监护技术的一个重要组成部分。本课题中利用自适应滤波算法从心电信号中提取呼吸信号的方法，不仅具有高效、无刨等优点，还利用心电检测技术中已有的设备解决了其他方法中电极和激励电源的问题，使呼吸监测的动态化、实时化成为了可能。本论文主要完成了以下工作设计了心电信号数据采集系统。本人具体负责数据采集系统中单片机控制程序、USB数据采集与传输单元的硬件电路阻及USB设备驱动程序的设计，并负责绘制印刷电路扳。设计实验方案，采用加压单极肢体导联获取心电信号。提取心电信号中R波间期序列和R波幅度序列，分析信号的性质和关系，确定自适应滤波算法中原始输入信号和参考输入信号，利用MATLAB软件对算法进行仿真，得出较为理想的估算结果。本论文的主要创新点包括提出了利用加压单极肢体导联心电图通过自适应滤波提取呼吸频率信号的方法。真正意义上实现了单一心电检测电路提取心电、呼吸两路信号。为今后便携式多生命参数监护仪的研究创造了条件。本课题建立了USB心电信号数据采集系统，提出了利用RLS自适应滤波从心电图信号中获取呼吸信号的新的呼吸信号检测方第67页第四军医大学硕士学位论文法，并取得了较为理想的仿真效果。但在实际操作中，我们的实验方法还存在着很多缺点和不足，离付诸实际应用还有一定的差距，还需要做进一步的工作USB心电数据采集系统的信号调理电路虽然对外界的噪声有一定的抑制作用，但还未达到非常理想的情况，仍需进一步改进。应脱离MATLAB软件的辅助，自己编写自适应滤波的高级语言算法程序，为未来监护设备的动态实时化搭建软件平台。将自适应滤波的高级语言算法程序集成入实验设备，真正完成信号的实时分析。第68页第四军医大学硕士学位论文【L】【2】陈宜张，社1992陈延航，社1984参考文献臧益民，医学生理学【M】上海上海科学技术出版沈力平等，生物医学测量咖北京人民卫生出版【3】ROSELLJ，WEBSTERJGSIGNALTOMOTIONARTIFACTRATIOVERSUSF掀LUENCYFORIMPEDANCEPNEUMOGRAPHYFJ】IEEETRANSBMEI，1995,42321323【4】JAVIERR，KCVINPC，JOHNGWREDUCTIONOFMOTIONARTIFACTSUSINGATWOFREQUENCYIMPEDANCEPLCTHYSMOGRAPHANDADAPTIVEFILTERINGJ】IEEETRANSBME，1995,4210441048【5】王卫红，鲍咸能，王博亮，双频率阻抗法在呼吸监测中的应用研究J航天医学与医学工程，1999，121；5155【6】LUOSA蠡艄VS，WEBSTERJG甜ATHEELECTRODESYSTEMINIMPEDANCEBASEDVENTILATIONMOA