1引言虚拟医学仪器充分利用计算机丰富的软硬件资源，仅增设少量专用.doc

1 引言??? 虚拟医学仪器充分利用计算机丰富的软硬件资源，仅增设少量专用软、硬件模块，便可实现传统仪 器的全部功能及一些传统仪器无法实现的功能，同时缩短了研发周期。本系统由两部分组成：以C8051F320单片机为核心的数据采集装置和以PC机为平台 的分析处理系统。设计中充分考虑数据采集装置体积小、功耗低、操作快捷的要求，因此全部采用SMT封装的元器件。PC监护终端通过USB接口接收数据，传 输速率高；采用图形编程语言LabVIEW编写显示、存储、分析处理等功能程序。该系统可实时监护并提供心动周期，心率等参数，也可进行数据的存储回放， 为心血管疾病的诊断提供依据。系统的软件开发和硬件与上位机软件的集成测试表明，系统运行稳定可靠，取得了预期效果。 2 系统硬件设计??? 该系统由C8051F320数据采集模块和PC机两部分组成，如图1所示。 ??? 数据采集模块主要由心电采集电路和基于C8051F320单片机的DAQ接口卡构成，如图2所示。 ??? 该模块通过C8051F320片上A/D转换器采集经预处理的心电信号，再将其由USB总线传输至PC机显示。PC机部分主要是软件设计，包括通过 C8051F320单片机片上USB主机API函数和LabVIEW软件编写数据采集图形用户界面；实现接收、显示和处理由数据采集模块通过USB接口发 送采集数据的程序。LabVIEW应用程序和C8051F320应用程序均采用Silicon Laboratories公司的USB Xpress开发套件的API和驱动程序实现对底层USB器件的读写操作。??? 心电信号属于微弱信号，体表心电信号的幅值范围为1~10 mV。在测量心电信号时存在很强的干扰，包括测量电极与人体之间构成的化学半电池所产生的直流极化电压，以共模电压形式存在的50 Hz工频干扰．人体的运动、呼吸引起的基线漂移，肌肉收缩引起的肌电干扰等。采用遥测HOLTER三导联线和一次性心电电极与人体接触，能很好地减小运动 和呼吸引起的肌电干扰。前端放大器采用具有极高共模抑制比(CMRR)的仪用AD620放大器，放大倍数约为50倍；并采用0．05~100 Hz的带通滤波器和50 Hz的陷波电路，抑制信号的基线漂移、高频噪声及工频干扰。为了充分利用A／D转换的精度，在转换前先将信号放大到A／D转换电路参考电压的70％左右， 考虑到信号中会附加直流成分，需在A／D转换电路前增加电平调节电路。个体心电幅度的差异要求电路中设计程控放大电路，又为了便于心电信号的标定和考虑到 实际器件放大倍数与理论值的偏差，在程控放大电路前设置一个手动可调的放大电路(1～10倍)。??? 综上分析，心电采集与程控放大部分应包括：AD620前端放大、0．05~100 Hz的带通滤波、50 Hz陷波、手动放大、程控放大和电平提升等电路。其中程控放大功能利用CD4051电子开关的数字选通实现，具有1～50倍的调节范围。??? 为减少系统功耗，应采用低功耗、集成度高的器件。该系统选用C8051F320单片机作为数据采集卡的核心部件。该器件是完全集成的混合信号系统级器件， 具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统常用的模拟、数字外设及USB接口等其他功能部 件。外部电路简单，易于实现，如图3所示。 ??? 心电电极将得到的信号经滤波和可变增益放大器放大后送至C8051F320单片机，单片机将得到的模拟心电信号实时转换为数字信号，采集到的数据通过USB接口传给PC机，进一步分析处理信号数据。 3 系统软件设计3．1 C8051F320单片机程序设计??? C8051F320单片机程序包括：(1)A／D转换程序和程控放大控制程序；(2)基于USB器件的通信程序，接收从USB主机发送的用户指令并将采集的数据发送给USB主机。3．1．1 A／D转换程序??? 衡量A／D转换性能主要有两个指标：采样分辨率(A／D转换器位数)和A／D转换速度。设置A／D转换器的采样率为2 000 Hz，并采用定时器TIME2溢出中断触发转换，每次转换结束后1O位结果数据字被锁存到A／D转换器的数据寄存器中，供USB通讯子程序数据调用，图4 为A/D转换流程。A／D转换程序较简单，可通过设置C8051F320片上定时器确定A/D转换器的采样周期，由定时器的溢出周期性启动A／D转换器来 采样被测数据。USB设置为块状传输模式与PC机进行数据通信。将每64个数据打成一个数据包。以充分利用硬件资源并提高数据传输效率。 3．1．2 基于USB器件的通信程序??? 整 个程序流程以USB通信为主线，如图5所示。图中所涉及的USB_Clock_Start()、USB_Int()等函数均是Silicon