基于LabVIEW的心率计设计【开题报告】

毕业设计开题报告

测控技术与仪器基于LabVIEW的心率计设计1选题的背景、意义人的每分钟心跳次数是关系到人类健康和生命的最主参数。心率计可以获取患者的心电信息，从而发现基中的异常情况，采取相应的处理措施，是降低心脏病死亡率的有效手段之一。而心率计是常用的用于检测心跳次数的医学检查设备，实时准确的心率测量在病人监视、临床治疗及体育竞赛等方面都有着广泛的应用。但随着现代医学的不断发展和进步，人们对各种测量仪器的要求也越来越高。传统的心电记录方法主要靠心电图机来完成，具信号采集、处理和显示主要由硬件电路完成，电路生产技术要求较高，设备价格较贵，元件参数调试困难、可靠性差，且维护和更新不便。虚拟仪器技术的发展为改造传统的心电记录设备提供了很好的技术支持，它利用计算机强大的软件处理功能和丰富的硬件资源来组成插卡式虚拟仪器系统，利用丰富的软件系统实现通常由硬件完成的功能。虚拟仪器技术，就是用户在通用计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计的测试功能，其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能。“软件就是仪器”反映了虚拟仪器技术的本质特征。同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势：1、性能高2、扩展性强3、开发时间少4、无缝集成。[1]LABVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)是美国NI(NationalInstrumentCompany冰司推出的一种基于G语言(GraphicsLanguage)的高效的虚拟仪器软件开发工具。是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。[2]LabVIEW的高效原因之一就是编译器。编译器简化了诸如内存分配和线程管理等任务。在过去十几年来，编译器变得更加聪明。利用LabVIEW2010,编译器数据流中间码被进一步优化，LLVM一种开放源代码的编译器架构，被添加到软件的编译流以加速代码执行。NI进行了一系列基准测试，从真实客户应用到低级功能，新的编译器在基准测试中性能平均提高20%[3]NILabVIEW作为完善的图形化开发环境，帮助数以千计的工程师和科学家有效开展嵌入式应用的设计、原型与部署。NILabVIEW结合：数百类预先编写的库、和现成硬件的紧密集成、各类编程方法（如：图形化开发、.m文件脚本，或连接现有C和HDL弋码）。[4]无论是设计医疗设备还是复杂机器人，用户均能够借助NILabVIEW和NI嵌入式硬件，缩减上市时间和嵌入式设计的总成本。LabVIEW为研制开发智能化医学仪器提供了很好的开发环境，利用LabVIEW开发虚拟医学仪器不但具有结果显示直观、程序设计简单和开发周期短等优点。[5]同时使心电数据处理、显示、存储、回放和分析等全部由计算机完成，克服临床医生心电分析个体差异，方便构成远程监护和诊断系统。2相关研究的最新成果及动态从上个世纪80年代中期美国推出虚拟仪器（VI）以来，至今已产生了LabVIEWHPVEE等国际上流行的开发系统，美国国家仪器公司（NI）一直是这个领域中的佼佼者。[11]30多年来，美国国家仪器公司（NI）帮助测试、控制、设计领域的工程师与科学家解决了从设计、原型到发布过程中所遇到的种种挑战。通过现成可用的软件，如LabVIEW,以及高性价比的模块化硬件，NI帮助各领域的工程师不断创新，在缩短产品问世时间的同时有效降低开发成本。如今，NI为遍布全球各地的25,000家不同的客户提供多种应用选择。NI总部设于美国德克萨斯州的奥斯汀市，在40个国家中设有分支机构，共拥有4,800多名员工。在过去连续九年里，《财富》杂志评选NI为全美最适合工作的100家公司之一。作为最大的海外分支机构之一，NI中国拥有完善的产品销售、技术支持、售后服务和强大的研发团队。[12]自1986年由美国国家仪器（NI）公司推出首款LabVIEW以来，它通过流程图的方式提供拖放式图形化功能块与线，大大简化了复杂系统的开发。LabVIEW可与数千种硬件设备集成，内置数百种高级分析和数据可视化的函数库，能够用于多种操作系统，并可用于x86处理器、实时操作系统（RTOS和FPGA从LEGO?MINDSTORMS?NXT器人到CERNfc型强子对撞机，世界上大多数工程师与科学家们都采用了LabVIEW[6]LabVIEW2010改进2010年8月美国国家仪器有限公司（NationalInstruments,简称NI）今天发布了LabVIEW图形化编程环境的最新版软件LabVIEW201Q用于设计、测试、测量与控制。LabVIEW2010新增了即时编译技术，可将执行代码的效率提高20%并针对更多应用市场推出各种附加工具包的收费与评估版，用户还可轻松将自定义功能集成到平台上，这些全新特性进一步提高了LabVIEW2010的效率。对于使用现场可编程门阵列（FPGA[7]的用户来说，LabVIEW201曜供全新IP集成节点，能够将所有第三方FPGAIP集成到LabVIEW立用中，并可与Xilinx内核生成器兼容。此外，NI研发工程师通过在LabVIEW皮术在线论坛上与用户进行广泛深入的交流与合作，为新版LabVIEW忝加了十多种客户建议的新特性。LabVIEW2010,其最显著的新功能就是针对各种时间实现的优化。最新的版本是整个软件平台的综合更新，包括直接被客户需求推动的新功能，新的FPGAIP模块，增强的定时和同步功能，以及改进的用于产生优化机器码的后端编译器，总体可提升高达20%勺应用程序运行性能。在推出LabVIEW2010的同时，NI也推出了LabVIEW附加开发者程序包，为数千合作伙伴扩展LabVIEW平台、增加定制功能。该程序建立了在线市场，作为LabVIEW工具网络的一部分，为开发人员提供免费或付费的工具包和一个全方位的平台供LabVIEW用户浏览、下载、评估和购买附加开发程序。现有50多种来自NI和第三方开发商的程序，包括代码复用函数库、模板、UI控件和连接其他软件包的连接器。止匕外，LabVIEW用户可以使用JKI软件公司的VI包管理器，直接从桌面连接到LabVIEW匚具网络，并管理附加设备和更新。另外，NI与Xilinx等知名技术提供商合作，进一步扩展LabVIEW环境。例如，使用新的IP集成节点，帮助用户将任何第三方FPGAP集成到LabVIEWFPGA模块，并提供直接兼容性，以兼容由Xilinx内核生成器生成的内核。测试与测量发展趋势如今全球经济现状对于预算成本有着严格的限制，测试工程师现今面临的挑战将是如何寻找更高效的测试方法。［8］美国国家仪器有限公司(NationalInstruments)，作为全球测试测量行业的领导者，指出未来将极大改进测试测量系统效率的三大趋势--软件定义的仪器系统，并行处理技术以及无线和半导体测试新方法。它们将帮助工程师在减少测试总成本的条件下，开发更快、更灵活的自动化测试系统；全球各公司以及所有的工业部门都将认识到通过使用这些方法和技术而获得的巨大优势。软件定义仪器系统的广泛应用将是2009年测试测量的最重要的发展趋势。通过使用软件定义的仪器系统，工程师们可以在测试系统中使用诸如多核处理、现场可编程门阵列(FPGA玲最新技术，以满足无线和协议感知测试等新应用的需求，并获得更好的测试水平同时降低测试成本。通过在项目中采用软件定义的仪器系统所获得的快速资本回报在整个系统链中都是非常显著的。软件定义的仪器系统也称作虚拟仪器，包含了模块化硬件和用户自定义的软件，使工程师可以通过通用硬件模块将标准仪器与包含数据处理的用户自定义的测试设备整合起来。对于某些电子设备，如下一代导航系统以及集成不同功能并能快速应用新通信协议的智能电话，仪器的灵活性就显得尤为重要。利用软件定义的仪器系统，工程师可以通过更新软件算法，快速对测试设备进行重新配置，以满足不断改变的测试需求。得益于它的灵活性以及高性价比，数以千计的公司如今正采用基于NILabVIEW图形化开发平台和开放式的、多厂商支持的PXI硬件标准为基础的软件定义的仪器系统。［9］根据PXI系统联盟(PXISystemsAlliance)的统计，至2009年末，将有超过100,000台PXI系统用于各个项目，并在未来10年内，这个数字将有希望翻倍。”开放式、模块化架构的自定义的仪器系统，如PXI系统仪器，已被证实使广泛的工业领域受益。同时，预计至2014年，PXI在测量与自动化领域的营利将有望一直保持17.6%的复合年增长率(CAGR)PXI平台所带来的高性能已在诸如雷达测试的射频应用，移动电话测试以及利用其他仪器无法测试的无线应用中

得到具体体现。"JessyCavazosFrost&Sullivan公司测试与测量行业经理。另外多核技术如今已成为自动测试系统的一个标准特性，同时也是如今电子设备应对海量数据处理所不可或缺的技术。软件定义的仪器系统充分利用最新多核技术以及高速数据总线来生成、捕捉、分析和处理电子设备设计和测试所需的千兆(gigabyte)级的数据。传统的基于文本的编程环境不能无缝支持并行、同时需要进行复杂的底层编程技巧，因此在多核编程方面面临巨大挑战。然而，测试工程师可以通过拥有天生并行编程环境的LabVIEW自动地在多个计算机核中分配多线程应用以获取高性能和高吞吐量，快速体验多核技术的好处。另一个软件定义仪器系统所广泛应用的领域是系统级FPGAF发工具的应用。如今许多新的模块化仪器都是带有FPGA勺，近几年推出的一些模块更是具备了高性能的XilinxVirtex-5FPGA。这些以FPGM基础的仪器能够帮助测试工程师以更快速度实现相比以往更复杂的数字信号处理算法。LabVIEW可以使测试工程师无需具备VHDL勺经验即可在FPGAk进行编程，这使得FPGA勺高性能不仅仅局限于少部分具备充分数字设计经验的硬件工程师。除了上述的新兴技术发展，软件定义的仪器系统已被证实是诸如无线测试和协议感知测试等快速发展领域的理想的选择。比如，某些用户电子设备，如移动电话和汽车内置娱乐系统，通常整合多个通信协议和标准，如GPSWiMAX,WLAN等。使用传统仪器的测试工程师需要等待统一主导的标准出现后，再由供应商开发出一款专用的、独立的台式仪器来测试此标准。然而，利用软件定义的仪器系统，无需等待新推出的无线标准成熟，工程师们即可使用通用的模块化硬件，应用用户自定义的无线协议和算法对多种无线标准进行测试。3课题的研究内容及拟采取的研究方法(技术路线)、研究难点及预期达到的目标研究方法

本设计研究的心率计有便携式心电采集模块和心电处理模块两大部分组成。便携式心电采集模块主要完成对心电信号的调理、采集和发送。心电处理模块主要用来接收、分析、存储、处理心电波形。本设计的心电数据采集、传输的设计应用了当前己经比较成熟的单片机技术，在硬件上充分保证了整个系统的可靠性。而计算机软件采用了虚拟仪器技术。这就使整个设计更加突出仪器智能化，模块化，灵活化。采用单片机技术与虚拟仪器技术相结合，设计出操作简单，测试可靠，界面灵活，尤其适合于快速开发时的测试系统。［9］首先通过心电采集模块进行信号处理采集，然后将采集到的信号通过前置放大器进行放大，然后通过高通滤波器来滤除直流漂移、放大器通带外的低频噪声，再通过低通滤波器消除各种高频干扰［10］，再通过AD转换然后输入单片机进行简单处理，最后将初步检测结果输入到PC机中的虚拟仪器进行分析。研究难点放大器的选用，各种滤波器的参数设置，LabVIEW编程，单片机和虚拟仪器的结合编程。预期达到的目标将心电信号通过采集与处理后，通过PC机的LabVIEW程序进行显示和分析。4研究工作详细进度和安排2011年1月10日前完成文献综述、外文翻译；2011年2月24日前完成开题报告；2011年3月24日前完成系统框架设计2011年4月20日前完成系统各模块功能、程序设计；2011年5月10日前完成软硬件结合调试、修改完善；2011年5月18日前完成毕业设计初稿；2011年5月27日完成毕业设计定稿，准备答辩。

5参考文献[1]秦树人.虚拟仪器[M].北京：中国计量出版社，2004[2]张凯，郭栋。虚拟仪器工程设计与开发[M]国防工业出版社。2004:192-202[3]周求湛，钱志鸿，刘萍萍等.虚拟仪器与Labview7程序设计.北京：北京航空航天大学出版社，2004[4]杨乐平，里海涛，肖相生。LabVIE州序设计与应用[M]。北京：电子工业出版社，2001:261-266[5]李凌.张开妍等，一种新的远程医疗系统[J],中国医疗器械杂志，2000.24(5)260〜263[6]王建群南金瑞等.基于LabVIEW勺数据采集系统的实现[J],计算机工程与应用，2003,21:122-125[7]燕延，马增强。基于Labview的数据采集与处理软件编程技巧。微计算机信息，200研21卷第5期[8]陈杰，黄鸿传感器