基于USB技术的脉搏数据采集系统的研究与设计 - 图文

ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏ｜ｌｅｒｆｌａｓｈｔＯｍｅｍｏｒｙａｎｄｋｅｒｎｅｌｃｏｍｐａｔｉｂｌｅｗｉｔｈ８０５１ａｓｔｈｅｓａｍｐｌｅｔｈｅｓｉｇｎａｌｓ．ｅｍｐｌｏｙｓＰＤＩＵＳＢＤＩ２ｃｈｉｐｆｍａｄｅｂｙＰｈｉｌｉｐｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｌｗｉｔｈｐａｒａｌｌｅｌｂｕｓｅｓＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｉｎｇｄｅｖｉｃｅａｎｄｒｅａｌｉｚｅｓｓｙｓｔｅｍｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｔｈｒｏｕｇｈＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ１ｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｍｉｃｒｏｃｈｉｐｓｙｓｔｅｍｆｏｃｕｓｅｓＵＳＢｏｎｓａｍｐｌｉｎｇｓｉｇｎａｌｓａｎｄｄａｔａｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＰＤＩＵＳＢＤ１２ｆｕｌｆｉｌｓｉｎｔｅｒｆａｃｉｎｇｃｏｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｍｐｌｅｔｅｓｄａｔａａｃｃｅｐｔａｎｃｅ，ｓｔｏｒａｇｅｔｏｄａｔａｂａｓｅ，ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｄｉｓｐｌａｙａｎｄｏｔｈｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｓＴｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｓａｄｏｐｔａｓｓｅｍｂｌｙｌａｎｇｕａｇｅ，Ｃ５ｌｌａｎｇｕａｇｅｔｏｃｏｍｐｉｌｅｄａｔａｓａｍｐｌｉｎｇｐｒｏｇｒａｍａｎｄｐｒｏｇｒａｍｓａｎｄｄａｔａｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｏＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｉｎｇｃｈｉｐｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｈｅｐｒｏｇｒａｍｆｏｒｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｉｓｃｏｍｐｉｌｅｄｗｉｔｈＣ＋＋ＢｕｉｌｄｅｒｌａｎｇｕａｇｅＴｈｅｐａｐｅｒｅｘｐｏｕｎｄｓＳｙｓｔｅｍｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＰｕｌｓｅＤａｔａＣｏｌｌｅｃｔｉｎｇＩｔｂａｓｅｄｕｐｏｎＵＳＢｔｅｃｈｎｉｑｕｅｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｓｐｈｙｇｍｕｓｓｅｎｓｏｒｓ；ｔｈｅｃｈｏｉｃｅａｎｄｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｓｏｆＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｈｉｐ，ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏｆｃｉｒｃｕｉｔ；ｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｐｌａｎｅｔｃ０１７１ｄｅｖｉｃｅｆｉｒｍｗａｒｅ，ｄｅｖｉｃｅｄｒｉｖｅｒｐｒｏｇｒａｍｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ；ＡｎｅｃｅｓｓａｒｙｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆＵＳＢ１１ｐｒｏｔｏｃｏｌｉｓａｌｓｏｐｒｅｓｅｎｔｅｄｈｅｒｅＭｏｒｅｏｖｅｒｗｅｈａｖｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｎｄｗａｙｓｆｏｒｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｗｅｍｅｔｄｕｒｉｎｇｔｈｅｄｅｂｕｇｇｉｎｇｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｓｗｅｌｌＫｅｙｗｏｒｄｓＭＳＣ１２１１：ｄａｔａｓａｍｐｌｅ；ＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）；ｄｒｉｖｅｒｐｒｏｇｒａｍ．１ｖ．哈尔滨理工大学工学硕士学位论文第１章绪论１．１中医脉诊理论的概述人体心脏和血管组成机体的循环系统。血液在其中按一定的方向流动，周而复始，称为血液循环，其动力来源于心脏，心脏不断做有序的收缩和舒张的交替活动，使血液源源不断地从心脏射入动脉并由静脉返回心脏。心脏每收缩一次，动脉内的压力就发生一次周期性波动。而这种周期性的压力变化引起动脉血管发生波动，称此为动脉脉搏。动脉脉搏波可以沿着动脉管壁向外周血管传播。这一在空间上传播的波动称为动脉脉搏波。从力学观点上看，动脉脉搏波实际是血流波和动脉壁波动的统称，一是在血流中传播的脉搏波，另一是沿动脉壁传播的脉搏波，后者又是以血管壁应力波的形式传播１“。在祖国医学中，切脉诊断就是有经验的中医大夫经过综合分析管壁运动和波传播综合反应所产生的信息来对病人进行诊断。由此看来，可以设计出一套采集系统来模拟中医脉诊的程序，把采集的病人脉搏信息输入到计算机中进行分析，得出结论。这样的系统能够提高诊断速度，增加确诊的准确度。对于中医教学，老中医经验的继承和中医科学的发展，会起到非常积极的作用。１．２本研究课题的意义及国内外发展现状脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，历史悠久，内容丰富，是中医“整体观念”、“辨证论治”的基本精神的体现和应用，亦是中医理论体系不可缺少的组成部分。自公元三世纪，我国最早的脉学专著《脉经》问世以来，脉学理论得到了不断的充实和提高，对国内外医学发展产生了很大的影响。脉学的研究对深入发掘中医理论，提高中医临床诊疗水平，乃至发展现代医学等方面都有重要意义。在西方医学随工业革命发展而医疗技术飞速进步的形势下，中国脉学不论在理论上或是方法上都较少有新的突破，而且脉学理论深奥，方法陈旧，使脉诊的临床应用受到很大的限制”ｌ。中医脉学的许多推理和经验虽有其合理和实用的一面，但往往给人以玄妙奠测的印象，长期以来影响着脉学的传授和发展。因此实现脉诊客观化是继承、开拓中医脉学的重要途径。哈尔滨理工大学工学硕士学位论文工程技术应用于医学，可追朔到１６００年。当时在Ｐａｄｕａ有一位医学教授Ｓａｎｃｔｏｒｉｕｓ设计了测量病人体温、脉搏次数的仪器在患者身上使用。直至１９世纪，才发展为听诊器、血压表等初级仪器进行检测诊断。那时的诊断研究着重在定性描述而乏定量研究。１９世纪末，ｘ射线的发现，电技术的发展，促进了心电图、脑电图的研究。１９０３年Ｅｉｎｔｈｏｖｅｎ用弦线电流计记录了心电图：Ｄａｓｓｉｋ等人于１９４７年发明了脑的Ａ一型超声显示；１９５３年Ｈｏｌｍｅｓ和ＨｏｗＤ等研制成了二维实时成像仪；Ｈｏｌｉｅｒ利用磁记录技术制成了非卧床病人佩带的Ｈｏｌｔｅｒ系统。从此，工程技术就多方位地向医学领域渗透。五十年代以来，中医学、西医学、数学、物理学、生物学、工程学等多学科学者对脉诊的客观化进行了大量的研究。首先是运用现代电子工业的先进设备、仪器，研制了不同原理的脉象仪，采用科学的测试技术和方法，将手指感知的各种脉象描记下来进行定量分析，这为脉象的分类、定型和定量分析提供了必要的条件。在这基础上，还结合中医切脉经验，给各型脉象图赋以中医脉象的定义，建立了典型的脉象图谱，并进一步运用脉图进行基础理论和临床研究，得出各种脉图的生理、病理意义…。在建立数学、物理模型的基础上，又对脉图进行了量化描述。中医脉图的建立是传统脉学理论、中医切脉经验、现代测试技术和图象分析及模式识别方法的结晶，它在一定程度上反映了脉象的基本特征。目前，脉图已开始用于临床诊断。ＵＳＢ设备的应用随着规范的发展，在国内外都处于高速发展的阶段。我们在ＵＳＢ数据采集、ＵＳＢ工业控制等领域已经取得了一定的成果，在现实中得到了成功的应用…。目前市场上已经出现一些心电监护系统的仪器，功能非常强大，可以测量例如脉搏、呼吸、血粘度等等。本课题是专门用于脉诊的数据采集系统，从中医脉诊的数字化入手，采集并重现脉图，体积小，操作简单，可以为医生的诊断与分析提供技术手段。１．３数据采集系统及ＵＳＢ技术的概述数据采集技术是伴随着计算机技术的发展而发展起来的，计算机的性能曰益提高，并且深入到工业自动化、国防、航天、通信等领域。这就不仅要求把外部模拟量变成数字量，而且要求把数字量保存在一定的媒质上，因此诞生了数据采集技术。ＵＳＢ总线接口具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，已经逐渐成为现代数据传输的发展趋势。。。基于ＵＳＢ技术的数据采集系统充分利用ＵＳＢ总线的上述优点，能够有效的解决传统数据采集系统的缺陷。篁玺篓星三奎兰三兰堡圭兰竺丝兰１．３．１数据采集系统的概况随着科学技术的发展，数据采集系统得到了越来越广泛的应用。目前，国外很多公司与厂商都投入巨资进行数据采集系统的研制开发与生产销售，其中比较著名的有ＮＥＦＦ、ＮＩ、ＨＰ、ＴＥＫ等。所以，数据采集技术已经在雷达、通信、水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损监测、语音处理、智能仪器、工业自动控制以及生物医学工程等众多领域得到广泛的应用并且收到了良好的效果…。数据采集（ＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）是获取信息的基本手段，数据采集技术作为信息科学的一个重要分支，与传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等作业，具有很强的实用性。一个数据采集系统应当可以对信号进行采样、传输和处理。数据采集系统可以分为两种，一种是以单片机为核心的数据采集系统，这种系统一般注重数据采集和控制的实时陛，进行一些简单的数字处理，不进行大规模的存储。另一种是以计算机为控制核心的数据采集系统，根据其传输方式，又分为并行和串行式采集系统；根据安置方式又分为内置和外置式采集系统内置式，就是前端硬件电路部分使用内置电路板的方式。电路板制作成标准计算机接口卡，通过标准的ＩＳＡ插口插入台式计算机机箱的扩展槽，由计算机主机电源为前端硬件电路供电。这种方式可以使系统与上位机集成为一个整体，便于使用。中高速、高精度连续采样系统由于采集的数据量大，通常将控制和数据通道部分做成板卡的形式，占用ＰＣ的一个ＩＳＡ或ＰＣＩ总线扩展槽，通过ＩＳＡ或ＰＣＩ总线的高速数据传输率（往往通过上述总线的ＤＭＡ模式）实现ＰＣ与采样系统的大容量数据交换。但是，这种内置式形式很容易受到ＰＣ枧箱内高频干扰的影响，降低系统的采样精度和稳定性。另一种是外接式，是把前端硬件电路和系统电源部分做成一个单独的机箱，与上位机完全分离，自供电源。如果能够将整个系统做成外置式形式，不仅能够提高系统的采样精度和稳定性，还能增强系统的灵活性，同时还有利于系统的维护。而普通的外置式采样系统一般通过ＲＳ．２３２Ｃ与ＰＣ连接，由于ＰＣ机的限制，ＲＳ一２３２Ｃ最高数据传输率不超过１１５Ｋｂｐｓ（基于串１２１芯片１６５５０，如基于８２５０，则最高仅有９６００ｂｐｓ），同时传输的距离也不会超过１５米。对于中高速、高精度连续采样系统，其每秒的数据传输量最小为（】ＯＯｋＨｚ采样率，１０位采样精度）：１００ＫｘｌＯ＝１０００Ｋ，若ＲＳ一２３２Ｃ以１１５Ｋｂｐｓ与采样系统交换数据，则需约１０００Ｋ／１１５Ｋ＝８．７ｓ的传输时间，采样系统与ＰＣ接口速度的瓶颈作用会导致一