【某肌电信号采集系统的硬件和软件设计案例5000字】

某肌电信号采集系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u25490某肌电信号采集系统的硬件和软件设计案例 1306391系统硬件设计 1287021.1单片机最小系统 254851.1.1STC89C52RC单片机 2130171.1.2硬件电路中的复位电路 3181671.1.3硬件电路重中时钟电路 3184761.2显示模块 4173631.2.1LCD1602工作原理 4274451.2.2显示电路 475461.3硬件电路中的通信模块 5263951.3.1I2C同步串行通信简介 571281.3.2通信模块电路 5286571.4本章小结 5264082系统软件设计 619682.1信号采集系统下位机软件程序设计 6126702.1.1下位机主程序的设计 6307432.1.2肌电信号采集模块程序的设计 7260312.1.3显示模块程序的设计 7287842.1.4通信模块子程序的设计 8200952.2LabVIEW上位机程序设计 937202.2.1LabVIEW软件开发环境 9622.2.2LabVIEW串口程序设计 1052112.2.3Labview中程序的设计 12系统硬件设计该实验对系统硬件提出以下要求：1）实时性：能够实时的采集到肌电信号。2）处理能力：信号被后端采样后，应当能够具有滤波功能。3）单通道信号采集：由于该传感器模块只有一个通道，所以本文采取了单通道信号采集。单片机最小系统通常使用单片机、复位电路、晶振电路以及电源就可以组成一个单片机最小系统。下图3-1所示为单片机最小系统电路图。图3-1单片机最小系统原理图STC89C52RC单片机STC89C52RC是由晶宏开发的具有8K可编程闪存的高性能，低功耗CMOS微控制器。使用的是经典的MCS-51内核，做了很多的改进，所以拥有51所不具备的一些功能，STC89C52RC具备多项特性，该单片机是全双工串行口，最高运作频率35MHz[19]。下图3-2所示为引脚图。图3-2STC89C52RC单片机引脚图硬件电路中的复位电路按键上电与上电复位是复位电路的两种复位方式，根据设计要求，本次的设计选用按键上电方式，其电路图如图3-3所示：图3-3复位电路如上图的电路所示，电路得点后，RST获得高电平之后，C2电容得电，RST高电平随之降低，便能实现RST引脚高电平的复位。使用按钮进行复位时，只能使用手动操作，按下按钮K1后，RST变为高电平，从而实现了高电平的复位。硬件电路重中时钟电路硬件电路中的时钟电路的主要作用是提供一个高电平或者低电平，从而驱动电路，单片机芯片的工作必须要用到时钟信号来支持，本实验主要采用内部时钟提供了脉冲信号，下图3-4所示为内部时钟电路，时钟电路由电容C3、电容C4和晶振Y1组成，晶振频率为11。0592MHz，22PF的电容主要是起到稳定电路作用。图3-4内部时钟电路显示模块LCD1602工作原理LCD1602是一种字符型液晶显示模块，能够显示16×2个字符，通常有14脚和16脚两种类型，另外两个引脚是背光电源线VCC（15针）和背光接地线GND（16针）。1602内置显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码，1602显示的原理就是如果需要将字符显示到某位置时，先把待显示的字符向显示数据RAM中的那个位置写入字符的ASCII码，通过这个码，在自定义字形RAM中查找到相应的字符显示[20]。显示电路LCD1602共有16个针，其中7-14是P0口，用做数据信号输入，3脚的作用调整液晶显示屏幕的对比度，在这里可以串联一个电阻然后接地，5脚和6脚分别是读写信号端和使能端，显示模块电路如下图3-5所示。图3-5显示模块电路图硬件电路中的通信模块该信号采集系统的下层计算机硬件电路和上层计算机的LabVIEW系统通过I2C接口进行实时通信和电信号传输。如果要进行双向通信，则必须配置与该接口相同的界面。I2C同步串行通信简介I2C通讯协议由Phiilps公司研发，该通讯方式有很多的优点，例如硬件的实现较为简单，不需要USART等通讯协议就能够接受数据，近年来已经被广泛的应用于集成电路之间的通讯。通信模块电路SDA（串行数据信号线）和SCL（串行时钟线）的接口是漏极开路输出，上拉电阻连接到VCC电源，以实现通信和信号线。这两条是双向I/O线，基于电路可以承受的最大电容，可以估算的总线最大允许长度以及可以连接的设备的最大数量。电路的大多数主设备用于传输数据信号并生成时钟信号，除主设备外的所有设备均被视为从设备。如果主设备要发送数据信号，则主设备必须先寻址并搜索从设备，然后再将数据信号发送到从设备。发送数据信号后，如果主设备要接收信号，该过程与上面的过程相反。在这种情况下，主机负责生成信号并终止EMG传输。图3-6硬件电路通信模块电路图本章小结本章的主要内容是计算机硬件模块的电路设计，包括最小的单片机系统，1602显示模块和I2C串行通信。然后对他们分别具有工作原理或引脚功能做出了极为细致的介绍。系统软件设计信号采集系统下位机软件程序设计实验程序是使用C语言进行编写的，然后通过KeiluVision4运行程序，然后把程序烧写到单片机上，之所以选择C语言，是因为该语言灵活性较高，而且使用方便，最重要的是程序的执行效率较高。下位机主程序的设计首先将模数转换之后采集到的肌电信号传送至单片机，写入ASCII码后在液晶显示模块中显示出来，同步传输到上位机，接着LCD1602、PCF8591被初始化，在脉冲到来之后，肌电信号传输到单片机中，单片机读取EMG信号后，便开始将EMG信号字符的ASCII码发送到通过该代码显示的地址。在RAM区域显示出来。图4-1单片机内程序流程图肌电信号采集模块程序的设计本系统主要通过采集肌电信号，然后对肌电信号进行检测和处理，通过观察检测与处理结果的准确性就能验证该系统是否可行。本实验用到了EDK0005或者EDK0006传感器来采集肌电信号，通过A/D转换模块PCF8591将采集到的肌电信号传输到单片机中。肌电信号检测模块的流程图如4-2所示。首先将PCF8591初始化，再选择采集信号的通道，接着将采集到的模拟信号转化为数据信号，如果转换结束，则读取最终数据，如果没有转换结束，则继续进行模数转换。图4-2肌电信号采集模块程序流程图显示模块程序的设计本实验所用到的肌电信号显示模块为LCD1602，该模块优点较多，能够随时随刻的完成对肌电信号的显示。该模块的程序设计较为简单，程序开始之后，首先将显示模块LCD1602进行初始化，然后对该模块进行写检测，这一步的目的是为了检测是否能够在显示模块上实时的显示采集到的肌电信号，写检测完成后，单片机向显示模块中写入字符的ASCII码，写入字符的ASCII码之后，肌电信号便能成功的在显示模块中显示。图4-3显示模块程序流程图通信模块子程序的设计该实验的上位机与下位机的通信采用的是同步串行通信方式，但是由于上位机与下位机的接口电平不同，所以如果该系统要实现上位机与下位机之间的通信，必须要用到一个电平转换的芯片，本实验用到的电平转换芯片是CH340G。通过本篇论文第二章的论述，通信模块选用的是I2C同步串口通信方式，该通信方式的主要优点也在第二章论述过。I2C通信模块程序的设计流程图如4-4所示。在给系统上电之后，首先设置单片机的串口模式，本实验设置的串口模式为1，接着将单片机的波特率设置为9600，然后启动定时器，定时器启动之后将数据发送至SUBF，接着将T1清零，再看数据有没有读完，没有读完的话再次执行程序，数据读完之后返回。图4-4系统通信模块程序流程图LabVIEW上位机程序设计LabVIEW软件开发环境代码设计与LabVIEW接口设计不统一，代码设计是单独的，接口设计也是其中的一部分，程序接口部分指的是LabVIEW中的的前面板，而代码设计指的是LabVIEW中的程序框图。LabVIEW中的前面板指的是图形化的操作界面，该界面主要提供显示和输入两种器件，输入控件包括开关、按钮等输入控件，应使用应用程序框图输入控制信号；提供标准文件名的默认KDE文件模块；应使用应用程序框图输入控制信号；图像检查包括图形、数字和其他输出控件。程序框图中使用的肌电信号指示器将在控制下显示，并用于进入程序框图。前端LabVIEW提供屏幕和馈送。输入驱动程序主要是切换，按钮和其他输入控制。如下图4-5所示是一个连续测量肌电信号的前面板。图4-5连续测量肌电信号的前面板当前面板将肌电信号处理完成后便会在上面显示出处理的结果，肌电信号的处理主要通过编写程序实现，而程序编写之后，提供肌电信号处理的地方就是LabVIEW中的程序框图。框图中除了包括前面板的控件对应的连线端子外，还包括许多部分。如下图4-6所示是连续测量肌电信号的程序框图。图4-6连续测量肌电信号程序框图LabVIEW串口程序设计主计算机和下部计算机之间的关系与同步顺序端口相关联，并且连接被配置为连接到通信。NI提供非常丰富的硬件设备，以满足各种需求，LabVIEW可以通过串行端口（如VISA，ActiveX，DLL等）与任何NI提供的硬件设备交互[21]。由于VISA串口驱动的优点较多，比如说具有很好的可移植性等优点，并且VISA串口驱动能够与大多数仪器的总线相互连接，所以该系统采用了VISA来实现LabVIEW与单片机之间的通信。下图4-7所示为VISA的串口函数图4-7VISA串口函数VISA串口函数配置串口通信时，首先将串口进行初始化，这一步的主要目的是设置串口的基本参数，然后是配置VISA函数的节点，这一步的主要目的方便后期通信，第三步是将接受到的肌电信号储存在数据缓冲区，利用函数来读取肌电信号，最后一步便是关闭VISA串口。下图4-9所示为前面板所配置的串口号。图4-9前面板配置的串口号下图4-10所示为前面板配置的串口框图图4-10前面板配置的串口框图由于串口功能设置为图的设置，因此使用基本通信参数，波特率为9600，数据信号位为8，停止位为1等基本通信参数，然后与单片机设置相同的参数。然后设置串行端口函数。在这种情况下，通过8位字节属性节点设置缓冲区大小。之后，VISA调用读取函数并读取缓冲区的静态信号并持续呼叫。最后调用关闭函数以关闭串行端口。Labview中程序的设计本系统是基于LabVIEW软件设计的肌电信号检测与处理系统，通过各种函数工具和属性节点，完成对下位机送来的肌电信号进行实时显示，能够通过对信号的处理达到最初的目的——改善生产过程的肌电信号参数和环境参数。如下图4-11和图4-12所示为系统主界面。图4-11系统的肌电信号显示与记录界面图4-12系统的肌电信号分析界面1）肌电信号采集系统显示程序的设计要想显示肌电信号，主要有两种方式，第一种方式是使用字符串函数将肌电信号的数值实时显示出来，第二种方式是使用波形函数将肌电信号在LabVIEW中的前面板显示出来，该种方式的结果如4-13所示。图4-13肌电信号检测与处理系统面板肌电信号检测与处理系统的程序框图如4-14所示，该程序框图主要采用了条件结构的形式。图4-14肌电信号检测与处理系统程序框图2）记录肌电信号检测与处理系统程序的设计在检测到肌电信号之后，将检测到的肌电信号记录和存储起来是该实验不可缺少的一部分，因为对肌电信号进行处理的时候，由于环境的不同可能存在一定的偏差，所以就需要我们对肌电信号进行多次处理，在这个时候，肌电信号的记录与存储的重要性便体现了出来。如下图4-17所示为记录程序的框图。图4-17肌电信号采集系统记录程序框图3）肌电信号波形图回放程序的设计波形回放在肌电信号采集系统中，能够保存患者肌电信号的所有信息，便于后续跟进患者的治疗，本系统的主要目的就是能够对之前的波形进行回放。如下图4-19所示为波形回放的程序框图。图4-18波形回放程序框图4）肌电信号滤波程序的设计得到肌电信号的波形图后，我们需要对肌电信号进行滤波，因为我们需要把不需要的谐波处理掉，留下我们需要的。这是因为在采集肌电信号时，由于外界环境的不同或者每个人生理情况的不同，会导致得不到我们想要的信号波形，所以我们需要设计一个滤波器来对肌电信号进行处理，以此得到原有的信号如图4-19为肌电信号滤波程序框图图4-19肌电信号滤波程序框图5）用LabVIEW对肌电信号进行检测与处理之所以采集肌电信号，就是为了对肌电信号进行检测和处理，从而获知一个人的健康程度。在我确定本课题之后，我就立马翻阅各种资料以寻找如何采集到较为精准的肌电信号，在翻阅了很多资料之后，发现最合适的采集方法就是使用信号采集卡来完成对肌电信号的采集，但是后来有通过查阅发现，信号采集卡的价格相对较贵，于是便放弃了这一方法，改用直接通过串口来获取肌电信号这一方法。（1）肌电信号的时域分析之所以要对原始肌电信号进行时域分析，是为了对检测到的肌电信号的特征值还有各种参数进行检测，这样就可以让人们更加直观的了解肌电信号，在对信号进行时域分析的过程中，我们会了解到肌电信号中包含的绝大多数信息，只有掌握了这些信息，才能对肌电信号进行更深一步的处理，为医治病人提供一个最精确的信号，下图4-22所示为肌电信号时域分析的前面板图4-22肌电信号时域分析的前面板下图4-23所示为肌电信号时域分析程序框图。图4-23肌电信号时