第一篇：LabVIEW聲卡數(shù)據(jù)采集信號(hào)分析音頻信號(hào)虛擬儀器
LabVIEW聲卡數(shù)據(jù)采集信號(hào)分析音頻信號(hào)虛擬儀器
摘要:虛擬儀器是20世紀(jì)80年代興起的一項(xiàng)新技術(shù)，是現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的重要方向，在建模仿真、設(shè)計(jì)規(guī)劃和教育訓(xùn)練等方面都有應(yīng)用目前NI公司所提供數(shù)據(jù)采集設(shè)備性能好，但是價(jià)格昂貴，構(gòu)建信號(hào)分析系統(tǒng)成本偏高計(jì)算機(jī)聲卡具備數(shù)據(jù)傳輸和AD轉(zhuǎn)換功能，作為數(shù)據(jù)采集卡具有價(jià)格低廉、開(kāi)發(fā)容易和系統(tǒng)靈活等優(yōu)點(diǎn) 基于上述分析，本文用計(jì)算機(jī)聲卡代替普通采集卡作為硬件，在LabVIEw平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)分析系統(tǒng)，并在信號(hào)分析實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了應(yīng)用主要貢獻(xiàn)為下述幾點(diǎn) 1提出了采用聲卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)建虛擬音頻信號(hào)分析系統(tǒng)并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)想通過(guò)高校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀的調(diào)研和對(duì)聲卡性能的分析，分析了由聲卡組建可以用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信號(hào)分析系統(tǒng)的必要性和可行性 2構(gòu)建了基于LabVIEw的音頻信號(hào)采集分析系統(tǒng)，具有信號(hào)采集、分析、波形顯示、存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)文件再調(diào)用分析等功能分析、解決了設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題 3對(duì)提出的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可行性 所生成的采集軟件交互性好、操作方便，并且可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行功能擴(kuò)充，為低成本下構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種思路，可以應(yīng)用到語(yǔ)音識(shí)別、環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量等多種領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊
標(biāo)題:LabVIEW聲卡數(shù)據(jù)采集信號(hào)分析音頻信號(hào)虛擬儀器
第二篇：DSP音頻信號(hào)發(fā)生器
大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告
音頻信號(hào)發(fā)生器
設(shè) 計(jì) 人： 專(zhuān)
業(yè)： 班
級(jí)： 學(xué)
號(hào)： 指導(dǎo)教師：
二零一四年
付路 電子信息工程 電子111501 201115020104 寧愛(ài)平
目錄
一． 引言-------------第2頁(yè) 二．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理----第2頁(yè) 三． 硬件設(shè)計(jì)---------第3頁(yè)
3.1 MMC/SD卡接口電路-----------------------------第3頁(yè) 3.2 上位機(jī)和單片機(jī)通信---------------------------第4頁(yè) 3.3 信號(hào)調(diào)理電路--第5頁(yè) 四． 軟件設(shè)計(jì)---------第7頁(yè)
4.1 系統(tǒng)初始化---第7頁(yè) 4.2 MMC/SD卡初始化------------------------------第7頁(yè) 4.3 MMC/SD卡單塊寫(xiě)數(shù)據(jù)--------------------------第8頁(yè) 五． 結(jié)束語(yǔ)----------第11頁(yè)
一． 引言
目前，單片機(jī)系統(tǒng)以價(jià)格低廉、開(kāi)發(fā)環(huán)境完備、開(kāi)發(fā)工具齊全、應(yīng)用資料眾多、功能強(qiáng)大且程序易于移植等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，隨著信息化進(jìn)程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)以及信號(hào)處理理論與方法的迅速發(fā)展，需要的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也提出了更高要求。MMC/SD卡以其價(jià)格、體積、讀取速度等特點(diǎn)成為現(xiàn)今大多數(shù)便攜式嵌入式設(shè)備的首選。
二．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理
音頻信號(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由8051F330單片機(jī)、MMC/SD卡存儲(chǔ)器、RS232串行通信接口、上位機(jī)、液晶顯示、鍵盤(pán)以及信號(hào)調(diào)理電路等部分組成。將寫(xiě)入MMC/SD卡中的音頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在上位機(jī)，單片機(jī)通過(guò)RS232串行通信接口寫(xiě)入MMC/SD卡，以中斷方式讀取鍵盤(pán)接口命令，并根據(jù)命令控制選擇相應(yīng)的音頻信號(hào)數(shù)據(jù)，再由信號(hào)調(diào)理電路輸出不同頻率和強(qiáng)度的音頻信號(hào)，系統(tǒng)通過(guò)液晶顯示模塊顯示信號(hào)頻率、信號(hào)強(qiáng)度及信號(hào)類(lèi)型。該系統(tǒng)突出的特點(diǎn)是上位機(jī)采用Lab Windows/CVI軟件，通過(guò)RS232串行通信接口與單片機(jī)通訊；以文本格式存儲(chǔ)在上位機(jī)的音頻信息則通過(guò)RS232串行通信接口下載到MMC/SD卡。系統(tǒng)控制核心選用美國(guó)Cygnal公司的8051F330單片機(jī)，C8051F330微控制器采用獨(dú)特的CIP-8051架構(gòu)，對(duì)指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè)，大大提高了指令的運(yùn)行速度；采用多功能存儲(chǔ)卡-MMC/SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)。MMC/SD卡內(nèi)置控制電路，可應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3等多種數(shù)字設(shè)備，反復(fù)記錄30萬(wàn)次，具有較高的性價(jià)比；液晶顯示屏采用OCM12864點(diǎn)陣液晶顯示模塊，由單片機(jī)時(shí)序控制，具有8位數(shù)據(jù)線、6條控制線和電源線。
三． 硬件設(shè)計(jì)
3.1 MMC/SD卡接口電路
MMC/SD卡在音頻信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)中是以數(shù)字量形式存儲(chǔ)音頻信息。MMC/SD卡有兩種工作模式，即MMC/SD模式和SPI模式。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，SPI模式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便，但數(shù)據(jù)傳輸速率不如MMC/SD模式，本系統(tǒng)采用SPI模式。MMC/SD卡工作在SPI模式下，其各個(gè)引腳功能的定義，如表1所示。CS是MMC/SD卡的片選線，在SPI模式下，CS必須保持低電平有效；DI不但傳輸數(shù)據(jù)，還發(fā)送命令，傳輸方向是由單片機(jī)到MMC/SD卡；同樣DO除了發(fā)送數(shù)據(jù)外還傳送應(yīng)答信號(hào)，傳輸方向是由MMC/SD卡到；SCLK是操作MMC/SD卡的時(shí)鐘線。將C8051F330的相應(yīng)交叉開(kāi)關(guān)配置為SPI模式，與MMC/SD卡對(duì)應(yīng)的引腳連接。針對(duì)SPI總線線路上增加了上拉電阻。MMC/SD卡與單片機(jī)接口電路。如圖2所示。
單片機(jī)
3.2 上位機(jī)和單片機(jī)通信
上位機(jī)采用Lab Windows/CVI軟件通過(guò)串口向單片機(jī)發(fā)送音頻信息。單片機(jī)將接收到的信息數(shù)據(jù)寫(xiě)入MMC/SD卡。Lab Windows/CVI軟件的音頻信息是由WinHex軟件將原始文件轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制的數(shù)字量，該軟件可對(duì)多種語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。上位機(jī)與單片機(jī)的通信是通過(guò)RS232串口通訊器件完成的。當(dāng)上位機(jī)與音頻信號(hào)發(fā)生器相距較遠(yuǎn)．不能直接用RS232器件將其連接時(shí)，可將RS232轉(zhuǎn)換為CAN，通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。RS232標(biāo)準(zhǔn)電平采用負(fù)邏輯，規(guī)定+3 V～+15 V的任意電平為邏輯“0”電平，-3 V～-15 V的任意電平為邏輯“1”電平。而CAN信號(hào)則使用差分電壓傳輸，2條信號(hào)線稱(chēng)為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時(shí)均為2.5 V，此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可稱(chēng)為“隱性”；CAN_H比CAN_L高時(shí)表示邏輯“0”，稱(chēng)為“顯性”。顯性時(shí)，通常為：CAN_H=3.5 V，CAN_L=1.5 V。
RS232串口的幀格式：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位可編程的第9位(此位為發(fā)送和接收的地址/數(shù)據(jù)位)，1位停止位。而CAN的數(shù)據(jù)幀格式：幀信息+ID+數(shù)據(jù)(分為標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種格式)。
3.3 信號(hào)調(diào)理電路
存儲(chǔ)在MMC/SD卡中的數(shù)據(jù)是音頻信號(hào)發(fā)生器的源代碼。單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)從MMC/SD卡中讀出，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換，以模擬量的形式從P01輸出。該模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路可外接耳機(jī)或音響播放十幾種音律。信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。由P01輸出的信號(hào)經(jīng)LM324放大后，由多個(gè)LM324并聯(lián)實(shí)現(xiàn)信號(hào)跟隨和功率驅(qū)動(dòng)。圖中只畫(huà)出了2個(gè)跟隨器，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需要可以并聯(lián)10多個(gè)信號(hào)跟隨器。
四． 軟件設(shè)計(jì)
4.1 系統(tǒng)初始化
系統(tǒng)初始化可完成C8051F330的I/O口、晶體振蕩器、SPI總線和C8051F330片上串口的初始化設(shè)置。用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序代碼如上：
4.2 MMC/SD卡初始化
MMC/SD卡上電后默認(rèn)為MMC/SD模式，要使MMC/SD卡工作在SPI模式下，在MMC/SD卡初始化時(shí)，當(dāng)片選線(CS)被拉低時(shí)發(fā)送復(fù)位命令CMD0，如收到應(yīng)答信號(hào)01H，表示已將卡置為閑置狀態(tài)；如收到應(yīng)答信號(hào)不是01H，則表示出錯(cuò)。然后向MMC/SD卡發(fā)送命令CMD1，收到正確的應(yīng)答信號(hào)00H之后，才會(huì)使MMC/SD卡進(jìn)入SPI模式。MMC/SD卡初始化流程如圖4所示。
MMC/SD卡協(xié)議是一種問(wèn)答式協(xié)議。首先單片機(jī)發(fā)送CMD。接著由MMC/SD卡發(fā)送回應(yīng)RES。MMC/SD卡的命令長(zhǎng)度都是6字節(jié)，命令總是以左邊的起始位開(kāi)始，右邊的結(jié)束位結(jié)束。其具體的命令格式如表2所示，MMC/SD卡的應(yīng)答格式分為4種，分別是R1、R1b、R2和R3應(yīng)答。
4.3 MMC/SD卡單塊寫(xiě)數(shù)據(jù)
MMC/SD卡單塊寫(xiě)數(shù)據(jù)主要實(shí)現(xiàn)C8051F330對(duì)MMC/SD卡的單塊寫(xiě)操作。MMC/SD卡塊的默認(rèn)大小為512字節(jié)。當(dāng)MMC/SD卡接收到單塊寫(xiě)命令CMD24后，MMC/SD卡向單片機(jī)發(fā)送應(yīng)答命令，并且等著單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)塊。當(dāng)應(yīng)答命令R1為0時(shí)，說(shuō)明可以發(fā)送512個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。MMC/SD卡對(duì)接收到的數(shù)據(jù)塊都通過(guò)一個(gè)l字節(jié)長(zhǎng)的命令確認(rèn)，當(dāng)其低5位二進(jìn)制數(shù)據(jù)為00101時(shí)，數(shù)據(jù)塊才確認(rèn)數(shù)據(jù)塊寫(xiě)入MMC/SD卡。在數(shù)據(jù)塊發(fā)送中，共發(fā)送515個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，其中，第一個(gè)字節(jié)為0xFE，隨后是512字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)塊，最后是2個(gè)字節(jié)的CRC。單塊數(shù)據(jù)寫(xiě)入MMC/SD卡的流程圖如圖5所示。
采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序代碼如下：
#include “scancode.h” #define TIM *(int *)0x24 #define PRD *(int *)0x25 #define TCR #define IMR #define IFR #define PMST *(int *)0x26 *(int *)0x0 *(int *)0x1 *(int *)0x1d
#define SPSA0 *(unsigned int *)0x38 #define SPSD0 *(unsigned int *)0x39 #define SPSA1 *(unsigned int *)0x48 #define SPSD1 *(unsigned int *)0x49 #define nMusicNumber 40
#define REGISTERCLKMD(*(unsigned int *)0x58)#define WAITSTATUS(*(unsigned int *)0x28)
ioport unsigned char port8000;ioport unsigned char port8001;ioport unsigned char port8002;ioport unsigned char port8007;#define CTRGR port8000 #define CTRKEY port8001 #define CTRCLKEY port8002 #define CTRLR port8007
void Delay(unsigned int nTime);void interrupt time(void);// 音符數(shù)據(jù)
unsigned int music[nMusicNumber][2]= { {182,480},{151,480},{135,480},{121,480},{135,480},{151,480},{182,480},{0,480}, {182,480},{151,480},{135,480},{121,480},{135,480},{151,480},{182,480},{0,480}, {182,240},{151,240},{135,240},{121,240},{135,240},{151,240},{182,240},{0,240}, {182,240},{151,240},{135,240},{121,240},{135,240},{151,240},{182,240},{0,240}, {182,1920},{151,1920},{135,1920},{121,1920},{135,1920},{151,1920},{182,1920},{0,1920} };unsigned int uWork;main(){
unsigned int uWork1;int j,nCount,nCount1,nScanCode;nCount=nCount1=0;REGISTERCLKMD=0;CTRGR=0;CTRGR=0x80;
CTRGR=8;CTRLR=0;
// 關(guān)閉東西方向的交通燈
CTRLR=0x40;// 關(guān)閉南北方向的交通燈 uWork1=CTRCLKEY;
// 清除鍵盤(pán)緩沖區(qū)
for(j=0;j PMST = uWork1&0xff;IMR = 0x8;TCR = 0x412;TIM = 0;PRD = music[nCount][0];TCR = 0x422;IFR = 0x100;asm(“ rsbx j=0;while(j<1){ nCount1=0;nScanCode=CTRKEY;// 讀掃描碼 nScanCode&=0x0ff;// 低8位 uWork1=CTRCLKEY; // 清除鍵盤(pán)緩沖區(qū) INTM”); // 頻率設(shè)置 if(nScanCode!=0) { } nCount1++;Delay(music[nCount][1]/3*12);// 音長(zhǎng) nCount++;if(nCount>=nMusicNumber){ } if(music[nCount][0]==0)TCR=0x412; // 靜音 nCount=0;j++;if(nScanCode==SCANCODE_Enter) break;else { PRD = music[nCount][0];// 切換音符 TCR = 0x422;} } } void Delay(unsigned int nDelay){ } void interrupt time(void){ SPSA0=1; // set McBSP0's SPCR2 int i,j,k=0;for(i=0;i } uWork&=0xfffe;// set XRST=0 SPSD0=uWork;SPSA0=0x0e;// set McBSP0's PCR uWork=SPSD0;uWork|=0x2000;// set XIOEN=1, Enable IO,DX for output uWork^=0x20;SPSD0=uWork; // DX=^DX 五． 結(jié)束語(yǔ) 根據(jù)MMC/SD卡的SPI協(xié)議，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與MMC/SD卡的接口，解決了嵌入式系統(tǒng)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題，利用上位機(jī)可以方便的讀取寫(xiě)入數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的存儲(chǔ)速度可達(dá)20 Mb/s，完全滿足信號(hào)發(fā)生器所需的下載速度和音頻播放速度。所編寫(xiě)的MMC/SD卡驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)應(yīng)用到嵌入式信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的安全、穩(wěn)定的存儲(chǔ)。相對(duì)于MMC/SD卡無(wú)論是讀寫(xiě)速度還是存儲(chǔ)容量都得到了極大提高。在SPI模式下，SD卡與MMC卡相兼容，即就是說(shuō)SD卡程序也適用于MMC卡。 虛擬儀器是以一種全新的理念來(lái)設(shè)計(jì)和發(fā)展的儀器，他是90年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，主要用于自動(dòng)測(cè)試、過(guò)程控制、儀器設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域，其基本思想是在儀器設(shè)計(jì)或測(cè)試系統(tǒng)中盡可能用軟件代替硬件，即“軟件就是儀器”，他是在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，根據(jù)用戶需求來(lái)定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，其實(shí)質(zhì)是充分利用計(jì)算機(jī)的最新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能。 虛擬儀器的特點(diǎn)和構(gòu)成 1.1 虛擬儀器的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有高效、開(kāi)放、易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性 好等明顯優(yōu)點(diǎn)，具體表現(xiàn)為： 智能化程度高，處理能力強(qiáng) 虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、人工智能技術(shù)和專(zhuān)家系統(tǒng)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)與集成，從而將智能儀器水平提高到一個(gè)新的層次。 復(fù)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低 應(yīng)用虛擬儀器思想，用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測(cè)試分析儀器，如同一個(gè)高 速數(shù)字采樣器，可設(shè)計(jì)出數(shù)字示波器、邏輯分析儀、計(jì)數(shù)器等多種儀器。這樣形成的測(cè)試儀 器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開(kāi)放、系統(tǒng)費(fèi)用更低。通過(guò)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接，還可實(shí)現(xiàn)虛 擬儀器的分布式共享，更好地發(fā)揮儀器的使用價(jià)值。 可操作性強(qiáng)，易用靈活 虛擬儀器面板可由用戶定義，針對(duì)不同應(yīng)用可以設(shè)計(jì)不同的操作顯示界面。使用計(jì)算機(jī)的 多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡(jiǎn)便、易于理解，測(cè)量結(jié)果可以直接進(jìn)入數(shù) 據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。測(cè)量完后還可打印、顯示所需的報(bào)表或曲線，這些都使得儀器的 可操作性大大提高而且易用、靈活。 1.2 虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器的構(gòu)建主要從硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)2個(gè)方面考慮。 硬件電路的設(shè)計(jì)主要根據(jù)用戶所面對(duì)的任務(wù)決定，其中接口設(shè)計(jì)可選用的接口總線標(biāo)準(zhǔn)包 括Gp IB總線、VXI總線等。推薦選用VXI總線。因?yàn)樗哂型ㄓ眯詮?qiáng)、可擴(kuò)充性好、傳輸速 率高、抗干擾能力強(qiáng)以及良好的開(kāi)放性能等優(yōu)點(diǎn)，因此自1987被首次推出后迅速得到各大儀 器生產(chǎn)廠家的認(rèn)可，目前VXI模塊化儀器被認(rèn)為是虛擬儀器的最理想平臺(tái)，是儀器硬件的發(fā) 展方向。由于VXI虛擬儀器的硬件平臺(tái)的基本組成是一些通用模塊和專(zhuān)用接口。因此硬件電 路的設(shè)計(jì)一般可以選擇用現(xiàn)有的各種不同的功能模塊來(lái)搭建。通用模塊包括：信號(hào)調(diào) 理和高速數(shù)據(jù)采集；信號(hào)輸出與控制；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理。這3部分概括了數(shù)字化儀 器的基本組成。將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來(lái)，就能構(gòu)成任何一種虛擬儀器。例如使用高速數(shù)據(jù)采集模塊和高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成1臺(tái)示波器、1臺(tái)數(shù)字化儀或 1臺(tái)頻譜分析儀；使用信號(hào)輸出與控制模塊和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊就能構(gòu)成1臺(tái)函數(shù)發(fā)生器、1臺(tái)信號(hào)源或1臺(tái)控制器。專(zhuān)用接口是針對(duì)特定用途儀器需要的設(shè)計(jì)，也包括一些現(xiàn)場(chǎng)總線 接口和各類(lèi)傳感器接口。系統(tǒng)的主要硬件包括控制器、主機(jī)箱和儀器模塊。常用的控制方案 有GpIB總線控制方式的硬件方案、MXI總線控制方式的硬件方案、嵌入式計(jì)算機(jī)控制方式的 硬件方案3種。VXI儀器模塊又稱(chēng)為器件（devices）。VXI有4種器件：寄存器基器件、消 息基器件、存儲(chǔ)器器件和擴(kuò)展器件。存儲(chǔ)器器件不過(guò)是專(zhuān)用寄存器基器件，用來(lái)保存和傳輸 大量數(shù)據(jù)。擴(kuò)展器目前是備用件，為今后新型器件提供發(fā)展通道。將VXI儀器制作成寄存器 基器件，還是消息基器件是首先要做出的決策。寄存器基器件的通信情況極像VME總線器件，是在低層用二進(jìn)制信息編制程序。他的明顯優(yōu)點(diǎn)在于速度寄存器基器件完全是在 直接 硬件控制這一層次上進(jìn)行通信的。這種高速通信可以使測(cè)試系統(tǒng)吞吐量大大提高。因此，寄 存器基器件適用于虛擬儀器中信號(hào)/輸出部分的模塊（如開(kāi)關(guān)、多路復(fù)用器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出 卡、模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換輸入卡、信號(hào)調(diào)理等）。消息基器件與寄存器基器件不同，他在高層次上用A SCII字符進(jìn)行通信，與這種器件十分相似是獨(dú)立HpIB儀器。消息基器件用一組意義 明確的 “字串行協(xié)議”相互進(jìn)行通信，這種異步協(xié)議定義了在器件之間傳送命令和數(shù)據(jù)所需的掛鉤 要求。消息基器件必須有CpU（或DSp）進(jìn)行管理與控制。因此，消息基器件適用于虛擬儀器 中數(shù)字信號(hào)處理部分的模塊。 軟件的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)包括3部分：VXI總線接口軟件、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和應(yīng)用軟件（軟面板）。軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。 VXI總線接口軟件由零槽控制器提供，包括資源管理器、資源編輯程序、交互式控制程序和 編程函數(shù)庫(kù)等。該軟件在編程語(yǔ)言和VXI總線之間建立連接，提供對(duì)VXI背板總線的控制和支 持，是實(shí)現(xiàn)VXI系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)。 儀器驅(qū)動(dòng)程序是完成對(duì)某一特定儀器的控制與通信的軟件程序，也即模塊的驅(qū)動(dòng)軟件，他 的設(shè)計(jì)必須符合Vpp的2個(gè)規(guī)范，即Vpp3.1《儀器驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)和模型》和Vpp3.2《儀器 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)規(guī)范》。 “軟面板”設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)具有可變性、多層性、自助性、人性化的面板，這個(gè)面板應(yīng)不 僅同傳統(tǒng)儀器面板一樣具有顯示器、LED、指針式表頭、旋鈕、滑動(dòng)條、開(kāi)關(guān)按鈕、報(bào)警裝 置等功能部件，而且應(yīng)還具有多個(gè)連貫操作面板、在線幫助功能等。 虛擬儀器在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用 利用虛擬儀器制作數(shù)據(jù)采集器可以按照硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)步驟來(lái)完成。 2.1 硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)要完成以下內(nèi)容： 1)模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 設(shè)置具有通用性的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，一般應(yīng)滿足能對(duì)多路信號(hào)盡可能同步地進(jìn)行采集，為了使所采集到的數(shù)據(jù)不但能夠在數(shù)據(jù)采集器上進(jìn)行存儲(chǔ)，而且還能及時(shí)地在采集過(guò)程中 將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，選用存儲(chǔ)量比較適中的先進(jìn)先出存儲(chǔ)器，這樣既能滿足少量數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 的需要，又能在需要實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，在A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，不丟失任何數(shù)據(jù)。)VXI總線接口 VXI總線數(shù)據(jù)采集器通常可以利用兩種VXI總線通用接口消息基接口和寄存器基接口。消 息基接口的作用是通過(guò)總線傳送命令，從而控制儀器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器簡(jiǎn)單的讀寫(xiě)來(lái)控制儀器硬件的操作。利用消息基接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體消息基接口的框圖見(jiàn)圖2。 3)采樣通道控制 為了滿足幾種典型系統(tǒng)通道控制的要求，使通道的數(shù)量足夠多，通道的選取比較靈活，可以利用寄存器電路、可預(yù)置計(jì)數(shù)器電路以及一些其他邏輯電路的配合，將采樣通道設(shè)計(jì)成最多64路、最少2路可以任意選擇，而且可以從任意一路開(kāi)始采樣，也可以到任意一路結(jié)束采樣，只要截止通道號(hào)大于起始通道號(hào)就可以了。整個(gè)控制在虛擬儀器軟面板上進(jìn)行操作，通過(guò)消息基接口將命令寫(xiě)在這部分的控制寄存器中，從而設(shè)置計(jì)數(shù)器的初值以及采樣的通道總數(shù)。 4)定時(shí)采樣控制 由于不同的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)采樣時(shí)間間隔的要求不同，以及同一系統(tǒng)在不同的試驗(yàn)中 需要的采樣時(shí)間間隔也不盡相同，故可以采用程控的方式將采樣時(shí)間間隔設(shè)置在2 μs~13.0 ms之間任意選擇，可以增加或減少的最小單位是2 μs。所有這些選擇設(shè)置可以在虛擬儀器軟面板上進(jìn)行。 5)采樣點(diǎn)數(shù)控制 根據(jù)不同測(cè)試系統(tǒng)的需求，將采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)成可在一個(gè)比較大的范圍中任意選擇，該選擇同樣是在軟面板上進(jìn)行。 6)采樣方式控制 總結(jié)各種自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的采樣方式不外乎軟件觸發(fā)采樣和硬件 觸發(fā)采樣。在硬件觸發(fā)采樣中又包括同步整周期采樣和非同步整周期采樣，這2種采樣又可 以是定時(shí)進(jìn)行的或等轉(zhuǎn)速差進(jìn)行的。所有這些采樣方式，對(duì)于數(shù)據(jù)采集器來(lái)說(shuō)都可以在軟面 板上進(jìn)行選擇。 2.2 軟件設(shè)計(jì) 軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，為使VI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)潔，一般可采用組件化設(shè)計(jì)思想，將各部分彼此獨(dú)立的軟件單元分別制成標(biāo)準(zhǔn)的組件，然后按照系統(tǒng)的總體要求組成完整的應(yīng)用系統(tǒng)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的組件化的虛擬儀器軟件系統(tǒng)，如圖3所示。 應(yīng)用軟件為用戶提供了建立虛擬儀器和擴(kuò)展其功能的必要工具，以及利用pC機(jī)、工作站的 強(qiáng)大功能。同時(shí)Vpp聯(lián)盟提出了建立虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)庫(kù)（VISA）的建議，為虛擬儀器的研 制與開(kāi)發(fā)提供了標(biāo)準(zhǔn)。這也進(jìn)一步使由通用的VXI數(shù)據(jù)采集模塊、CpU/DSp模塊來(lái)構(gòu)成虛擬儀 器成為可能。 基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集器的軟件包括系統(tǒng)管理軟件、應(yīng)用程序、儀器驅(qū)動(dòng)軟件和I/O接 口 軟件。以往這4部分需要用戶自己組織或開(kāi)發(fā)，往往很困難，但現(xiàn)在NI公司提供了所有這 四部分軟件，使應(yīng)用開(kāi)發(fā)比以往容易得多。 下面簡(jiǎn)單介紹以NI公司的Lab Windows/CVI為開(kāi)發(fā)環(huán)境，來(lái)進(jìn)行VXI虛擬儀器的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi) 發(fā)的方法。 第一步：生成儀器模塊的用戶接口資源文件（UIR）。用戶接口資源、文件是儀器模塊 開(kāi) 發(fā)者利用Lab Windows/CVI的用戶界面編輯器為儀器模塊設(shè)計(jì)的一個(gè)圖形用戶界面（GUI）。一個(gè)Lab Windows/CVI的GUI由面板、命令按鈕、圖標(biāo)、下拉菜單、曲線、旋鈕、指示表以及 許多其他控制項(xiàng)和說(shuō)明項(xiàng)構(gòu)成。 第二步：Lab Windows/CVI事件驅(qū)動(dòng)編程。應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)環(huán)境Lab Windows/CVI中設(shè)計(jì)一個(gè) 用戶接口，實(shí)際上是在用戶計(jì)算機(jī)屏幕上定義一個(gè)面板，他由各種控制項(xiàng)（如命令按鈕、菜 單、曲線等）構(gòu)成。用戶選中這些控制項(xiàng)就可以產(chǎn)生一系列用戶接口事件（events）。例如，當(dāng)用戶單擊一個(gè)命令按鈕，這個(gè)按鈕產(chǎn)生一個(gè)用戶接口事件，并傳遞給開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)的C語(yǔ) 言驅(qū)動(dòng)程序。這是運(yùn)用了Windows編程的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制。Lab Windows/CVI中使用不同類(lèi)型的 控制項(xiàng)，在界面編輯器中將顯示不同類(lèi)型的信息，并產(chǎn)生不同操作的接口事件。在Lab Wind ows/CVI的開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，對(duì)事件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行C程序編程時(shí)可采用2種基本的方法：回調(diào)函數(shù)法和 事件循環(huán)處理法。 回調(diào)函數(shù)法是開(kāi)發(fā)者為每一個(gè)用戶界面的控制項(xiàng)寫(xiě)一個(gè)獨(dú)立的用戶界面的控制函數(shù)，當(dāng)選中某個(gè)控制項(xiàng)，就調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行事件處理。在循環(huán)處理法中，只處理GUI控制 項(xiàng)所產(chǎn)生的COMMIT事件。通過(guò)Get User Event函數(shù)過(guò)濾，將所有的COMMIT事件區(qū)分開(kāi)，識(shí)別 出是由哪個(gè)控制項(xiàng)所產(chǎn)生的事件，并執(zhí)行相應(yīng)的處理。 第三步：應(yīng)用函數(shù)/VI集與應(yīng)用程序軟件包編寫(xiě)。應(yīng)用函數(shù)/VI集需針對(duì)具體儀器模塊 功能進(jìn)行編程，應(yīng)用程序軟件包只是一些功能強(qiáng)大、需要完善的數(shù)據(jù)處理能力的模塊才需要 提供，如波形分析儀模塊、DSp模塊等。結(jié)語(yǔ) 本文探討了虛擬儀器的基本組成，以及實(shí)際的虛擬儀器軟硬件設(shè)計(jì)的一般方法，這些方法經(jīng)過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)工作運(yùn)用證明是可靠的，可供系統(tǒng)工程技術(shù)人員在組建具體的基于VXI總線的虛擬儀器數(shù)據(jù)采集、測(cè)試時(shí)參考使用。 參考文獻(xiàn) 1］趙勇.虛擬儀器軟件平臺(tái)和發(fā)展趨勢(shì)［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2002,(1) 2］陳光禹.VXI總線測(cè)試平臺(tái)［M］.北京：電子科技大學(xué)出版社,1996 3］孫昕，張忠亭，薛長(zhǎng)斌.集成VXI總線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的方法［J］.測(cè)控技術(shù),1996,15(4) 4］張毅剛，彭喜元，姜寧達(dá)，等.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2001 5］汪紅.基于組件的虛擬儀器軟件系統(tǒng)［J］.微型計(jì)算機(jī)信息,2001,(1)：76-77 一、信息分類(lèi)原則 1.事故信號(hào) 2.異常信號(hào) 3.變位信號(hào) 4.遙測(cè)越限信號(hào) 5.告知信號(hào) 二、COS信號(hào)和SOE信號(hào)的區(qū)別？ COS信號(hào)：遙信變位（不帶時(shí)間標(biāo)記）SOE信號(hào)：事件順序記錄(sequence of event)（分辨率不大于2ms），把事件（開(kāi)關(guān)或保護(hù)動(dòng)作）發(fā)生的時(shí)間按先后順序逐個(gè)記錄下來(lái)，這就是事件順序記錄。 三、為什么保護(hù)出口信號(hào)和開(kāi)關(guān)位置信號(hào)要設(shè)置SOE 事件順序記錄主要用來(lái)提供時(shí)間標(biāo)記，以利于對(duì)電力系統(tǒng)的事故分析。 四、為什么要設(shè)置事故總信號(hào)，沒(méi)有可以嗎？ 防止開(kāi)關(guān)偷跳 五．某110kV變電站主變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)發(fā)SF6二級(jí)告警，運(yùn)維人員如何處理？ 1．運(yùn)維人員應(yīng)立即匯報(bào)當(dāng)班調(diào)度員； 2．運(yùn)維人員按照調(diào)度指令加強(qiáng)對(duì)該開(kāi)關(guān)的SF6氣壓監(jiān)視，防止出現(xiàn)一級(jí)告警后閉鎖分合閘； 3．通知檢修人員到站檢查處理； 4．做好相關(guān)安全措施，帶電補(bǔ)氣。 六．某110kV變電站運(yùn)行主變發(fā)過(guò)負(fù)荷告警，監(jiān)控人員如何處理？ 1.監(jiān)控人員應(yīng)立即匯報(bào)調(diào)度； 2.監(jiān)控人員應(yīng)按照調(diào)度指令加強(qiáng)對(duì)過(guò)負(fù)荷主變油溫及負(fù)荷監(jiān)視； 3.如有備用主變，則操作備用主變送電； 4.如無(wú)備用主變，按調(diào)度指令壓減負(fù)荷。 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集實(shí)習(xí) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 心電信號(hào)采集 指導(dǎo)老師： 學(xué)號(hào)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 姓名： 起止日期： 目錄 一、前言 ———————————————————— 3 二、心電信號(hào)簡(jiǎn)介 ———————————————— 3 三、實(shí)驗(yàn)要求 —————————————————— 5 四、軟件設(shè)計(jì)及仿真 ——————————————— 6 五、硬件電路及仿真 ——————————————— 12 六、人體測(cè)量結(jié)果 ———————————————— 13 七、實(shí)驗(yàn)總結(jié) —————————————————— 14 一、前言 心臟是人體血液循環(huán)的動(dòng)力泵，心臟搏動(dòng)是生命存在的重要標(biāo)志，心臟搏動(dòng)節(jié)律也是人體生理狀態(tài)的重要標(biāo)志之一。心電信號(hào)是心臟電活動(dòng)的一種客觀表示方式，是一種典型的生物電信號(hào)，具有頻率、振幅、相位、時(shí)間差等特征要素，比其他生物電信號(hào)更易于檢測(cè)，并具有一定的規(guī)律性。由于心電信號(hào)從不同方面和層次上反映了心臟的工作狀態(tài)，因此在心臟疾病的臨床診斷和治療過(guò)程中具有非常重要的參考價(jià)值。對(duì)心電信號(hào)的采集和分析一直是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)，是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，涉及到降低噪聲和抗干擾技術(shù)，信號(hào)分析和處理技術(shù)等不同領(lǐng)域，也依賴于生命科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的研究進(jìn)展。 人體體表的一定位置安放電極，按時(shí)間順序放大并記錄這種電信號(hào)，可以得到連續(xù)有序的曲線，這就是心電圖。心電信號(hào)的各種生理參數(shù)都是復(fù)雜生命體(人體)發(fā)出的強(qiáng)噪聲條件下的弱信號(hào)(除體溫等直接測(cè)量的參數(shù)外)，心電信號(hào)的幅度在10μV～4mV之間，頻率范圍為0.05～100Hz，淹沒(méi)在50Hz的工頻干擾和人體其他信號(hào)之中，檢測(cè)過(guò)程及方法較復(fù)雜。去除信號(hào)檢測(cè)過(guò)程的干擾和噪聲、進(jìn)行心電信號(hào)的分析是心電儀器的重要功能之一，心電信號(hào)的放大質(zhì)量直接影響著分析儀器的性能和對(duì)人體心臟疾病的診斷。本次設(shè)計(jì)了一個(gè)心電信號(hào)檢測(cè)放大電路，充分考慮了人體心電信號(hào)的特點(diǎn)，采用三導(dǎo)聯(lián)輸入—前置放大電路—帶通濾波電路—次級(jí)放大電路組成的模式，并且利用軟件對(duì)相應(yīng)的電路進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電路能夠很好地完成人體心電信號(hào)的檢測(cè)放大。 關(guān)鍵詞：AD620、TL082CP、OP07CP、LM358、陷波、右腿驅(qū)動(dòng)、NI ELVIS 二、心電信號(hào)簡(jiǎn)介 1.心電圖 心肌是由無(wú)數(shù)個(gè)心肌細(xì)胞組成，由竇房結(jié)發(fā)出的興奮，按一定的途徑和時(shí)程，依次向心房和心室擴(kuò)布，引起整個(gè)心臟的循環(huán)興奮。心臟各部分興奮過(guò)程中出現(xiàn)的電位變化的方向、途徑、次序、和時(shí)間均有一定的規(guī)律。由于人體為一個(gè)容積導(dǎo)體，這種電變化也必須擴(kuò)布到身體表面。鑒于心臟在同一時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的電信號(hào)，因此，可以通過(guò)安放在身體表面的胸電極或四肢電極，將心臟產(chǎn)生的電位變化以時(shí)間為函數(shù)記錄下來(lái)，這種記錄曲線稱(chēng)為心電圖，如下圖所示。心電圖反映心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過(guò)程中的生物電變化。心肌細(xì)胞的生物電變化時(shí)心電圖的來(lái)源，但是心電圖曲線與單個(gè)心肌細(xì)胞的膜電位曲線有明顯的區(qū)別。ECG波形是由不同的英文字母統(tǒng)一命名的。 心肌是由無(wú)數(shù)個(gè)心肌細(xì)胞組成，由竇房結(jié)發(fā)出的興奮，按一定的途徑和時(shí)程，依次向心房和心室擴(kuò)布，引起整個(gè)心臟的循環(huán)興奮。心臟各部分興奮過(guò)程中出現(xiàn)的電位變化的方向、途徑、次序、和時(shí)間均有一定的規(guī)律。由于人體為一個(gè)容積導(dǎo)體，這種電變化也必須擴(kuò)布到身體表面。鑒于心臟在同一時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的電信號(hào)，因此，可以通過(guò)安放在身體表面的胸電極或四肢電極，將心臟產(chǎn)生的電位變化以時(shí)間為函數(shù)記錄下來(lái)，這種記錄曲線稱(chēng)為心電圖，如下圖所示。心電圖反映心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過(guò)程中的生物電變化。心肌細(xì)胞的生物電變化時(shí) 心電圖的來(lái)源，但是心電圖曲線與單個(gè)心肌細(xì)胞的膜電位曲線有明顯的區(qū)別。ECG波形是由不同的英文字母統(tǒng)一命名的。正常心電圖由一個(gè)P波、一個(gè)QRS波群和一個(gè)T波等組成。P波起因于心房收縮之前的心房極時(shí)的電位變化； QRS 波群起因于心室收縮之前的心室除極時(shí)的收位變化；T波為心室復(fù)極時(shí)的電位變化，其幅度不應(yīng)低于同一導(dǎo)聯(lián)R波的1/10，T波異常表示心肌缺血或損傷。ECG的持續(xù)時(shí)間由：P-R間期（或P-Q間期）為P波開(kāi)始至QRS波群開(kāi)始的持續(xù)時(shí)間，也就是心房除極開(kāi)始至心室除極開(kāi)始的間隔時(shí)間，正常值為0.12～0.20s，若P-R 期延長(zhǎng)，則表示房室傳導(dǎo)阻滯；Q-T間期為 QRS波群的開(kāi)始至T波的末尾的持續(xù)時(shí)間，意為心室除極和心室復(fù)極的持續(xù)時(shí)間，正常值為 0.32～0.44s；S-T段為從QRS波群終末導(dǎo)T波開(kāi)始之間的線段，此時(shí)心室全部處于除極狀態(tài)，無(wú)電位差存在，所以正常時(shí)與基線平齊，稱(chēng)為等電位線，若S-T段偏離等電位線一定QRS波群持續(xù)時(shí)間正常值約為0.06～0.11s范圍，則提示心肌損傷或缺血等病變；因此，實(shí)時(shí)的檢測(cè)心電信號(hào)，可以從所得出的心電圖上觀察心臟的變化，醫(yī)生就可以從所測(cè)的心電圖上判斷心臟各個(gè)部位的功能是否正常，所以心電圖是醫(yī)生治療心臟方面的疾病所不可或缺的依據(jù)。因此心電檢測(cè)就有了實(shí)際應(yīng)用的意義。 圖1 標(biāo)準(zhǔn)心電圖圖例 2.人體心電信號(hào)的干擾 人體心電信號(hào)是一種弱電信號(hào)，信噪比低。一般正常的心電信號(hào)頻率范圍為0.05-100Hz，而90％的心電信號(hào)(ECG)頻譜能量集中在0.25-35 Hz之間。采集一種電信號(hào)時(shí)，會(huì)受到各種噪聲的干擾，噪聲來(lái)源通常有下面幾種： (1)工頻干擾50 Hz工頻干擾是由人體的分布電容所引起，工頻干擾的模型由50Hz的正弦信號(hào)及其諧波組成。幅值通常與ECG峰峰值相當(dāng)或更強(qiáng)。 (2)電極接觸噪聲,電極接觸噪聲是瞬時(shí)干擾，來(lái)源于電極與肌膚的不良接觸，即病人與檢側(cè)系統(tǒng)的連接不好。其連接不好可能是瞬時(shí)的，如病人的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)導(dǎo)致松動(dòng)；也可能是檢測(cè)系統(tǒng)不斷的開(kāi)關(guān)、放大器輸入端連接不 好等。電極接觸噪聲可抽象為快速、隨機(jī)變化的階躍信號(hào)，它按指數(shù)形式衰減到基線值，包含工頻成分。這種瞬態(tài)過(guò)渡過(guò)程可發(fā)生一次或多次、其特征值包括初始瞬態(tài)的幅值和工頻成分的幅值、衰減的時(shí)間常數(shù)；其持續(xù)時(shí)間一般的1s左右，幅值可達(dá)記錄儀的最大值。 (3)人為運(yùn)動(dòng),人為運(yùn)動(dòng)是瞬時(shí)的(但非階躍)基線改變，由電極移動(dòng)中電極與皮膚阻抗改變所引起。人為運(yùn)動(dòng)由病人的運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)所引起，造成的基線干擾形狀可認(rèn)為類(lèi)似周期正弦信號(hào)，其峰值幅度和持續(xù)時(shí)間是變化的，幅值通常為幾十毫伏。 (4)肌電干擾(EMG),肌電干擾來(lái)自于人體的肌肉顫動(dòng)，肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生毫伏級(jí)電勢(shì)。EMG基線通常在很小電壓范圍內(nèi)。所以一般不明顯。肌電干擾可視為瞬時(shí)發(fā)生的零均值帶限噪聲，主要能量集中在30-300Hz范圍內(nèi)。 (5)基線漂移和呼吸時(shí) ECG 幅值的變化 基線漂移和呼吸時(shí) ECG 幅值的變化一般由人體呼吸、電極移動(dòng)等低頻干擾所引起，頻率小于 5 Hz；其變化可視為一個(gè)加在心電信號(hào)上 的與呼吸頻率同頻率的正弦分量，在 O.015-O.3Hz 處基線變化變化幅度的為 ECG 峰峰值的 15％。 三、實(shí)驗(yàn)要求 1.實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備： 1)作圖工具：TINA原理圖編輯器 2)仿真工具：使用Multisim交互式地搭建電路，然后仿真。3)電路圖實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：面包板 4)電路測(cè)試：使用NI ELVISmx提供電壓，顯示電路數(shù)據(jù)。 2.設(shè)計(jì)要求 體表心電信號(hào)是微弱信號(hào)，極易受到干擾，心電前置放大電路設(shè)計(jì)要求盡可以將外界干擾排除，再通過(guò)ELVIS平臺(tái)傳到上位機(jī)做數(shù)字信號(hào)處理和顯示。要求完成以下技術(shù)指標(biāo) (一)電路的放大倍數(shù)：800~1000倍。(二)電路的共模抑制比：大于75(三)電路的輸入阻抗：大于20M(四)電路的信號(hào)的頻率響應(yīng)范圍：0.05~120Hz 我們要設(shè)計(jì)的是三導(dǎo)聯(lián)。心電前置放大電路一般會(huì)由兩~三級(jí)組成，第一級(jí)是CMRR很高的差動(dòng)放大電路，主要用來(lái)抑制共模干擾，比如工頻電場(chǎng)干擾，但這一級(jí)放大倍數(shù)一般在10倍左右（為什么這么設(shè)定，請(qǐng)大家思考并查資料，采用什么電路方式來(lái)提高共模抑制比也可以查資料）。第二級(jí)通常是一個(gè)兩階低通濾波和放大10倍左右的電路。（請(qǐng)大家去找到合適的兩階濾波器電路，并選用合適的電容與電阻）。最后一級(jí)通常是可調(diào)放大倍數(shù)的放大電路，并提供一個(gè)低內(nèi)阻的輸出級(jí)。高通濾波一般在前端采用無(wú)源的一階濾波器。 四、軟件設(shè)計(jì)及仿真 1、前置放大電路和右腿驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) （1）前級(jí)放大電路是將采集到的心電信號(hào)直接放大，該信號(hào)包含了很多背景噪聲以及較高的共模信號(hào)，若這些干擾信號(hào)也隨著心電信號(hào)一起被放大，將導(dǎo)致心電信號(hào)完全被湮沒(méi)在噪聲信號(hào)中，因此前級(jí)放大電路是關(guān)鍵，它必須滿足高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲，低漂移等特點(diǎn)。因此選用儀用放大器AD620，它采用經(jīng)典的三運(yùn)放改進(jìn)設(shè)計(jì)，只需要一個(gè)電阻就能實(shí)現(xiàn)對(duì)增益的調(diào)節(jié)。它具有較高的輸入阻抗和共模抑制比，能夠很好地達(dá)到要求。對(duì)于前級(jí)放大的增益不宜過(guò)大，否則會(huì)使干擾信號(hào)過(guò)強(qiáng)，不利于后期處理。 （2）右腿驅(qū)動(dòng)電路專(zhuān)為針對(duì)50Hz工模干擾，提高CMRR而設(shè)計(jì)的，原理是采用人體為相加點(diǎn)的共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋，其方法是取出前置放大級(jí)中的共模電壓，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路反相后在加回體表上，一般做法是將此反饋信號(hào)接到人體的右腿上，所以稱(chēng)為右腿驅(qū)動(dòng)。通常，病人在做正常的心電檢測(cè)時(shí)，空間電廠在人體產(chǎn)生的干擾電壓以及共模干擾是非常嚴(yán)重的，而用右腿驅(qū)動(dòng)電路就能很好地解決了上述問(wèn)題。 圖1 前置放大電路 由電路圖1可知1腳和8腳之間的等效電阻RG?20k??6.67k?，根據(jù) 3G?49.4k??1可得，該電路的增益RGG=8.41，其中電阻R1、R2的匹配性會(huì)直接影響到該放大電路的共模抑制比，因此要盡量保持阻值的相等。 圖3 仿真結(jié)果 由圖3仿真結(jié)果可以看出，輸入1mV，40HZ的交流電壓后，經(jīng)AD620芯片 放大測(cè)量出的信號(hào)值達(dá)到12mV左右，有效值為8.64mV，即實(shí)際放大倍數(shù)為8.64倍，與理論值相近。 2、濾波電路的設(shè)計(jì) 因?yàn)殡娐匪蟮念l帶范圍為0.05Hz到100Hz，由于純粹的帶通濾波器的幅頻特性不好控制，因此選擇低通和高通兩個(gè)濾波器串聯(lián)，形成一個(gè)帶通濾波器。低通濾波器的截止頻率為100Hz，高通濾波器的截止頻率為0.5Hz。在芯片選擇方面，由于運(yùn)放本身的頻帶范圍會(huì)影響所做濾波器的特性，因此選擇頻帶范圍較寬的TL082做為濾波器的運(yùn)放。TL082是一種通用的J-FET雙運(yùn)算放大器，能夠用一個(gè)芯片來(lái)完成低通和高通濾波。我們采用二階的濾波器，雖然濾波階數(shù)越高，濾波效果越好，但是，濾波階數(shù)過(guò)高了就會(huì)提高成本，而且階數(shù)越高濾波電路結(jié)構(gòu)會(huì)更加復(fù)雜，調(diào)試也更加有難度。二階低通濾波相對(duì)于一階來(lái)說(shuō)，其濾波性能 1更加穩(wěn)定，效果更好。圖1為濾波電路。根據(jù)公式f?得，截止頻 2?R1R2C1C2率分別為49Hz和0.08Hz，并其增益都為1。 圖1 帶通濾波電路圖 通過(guò)過(guò)對(duì)實(shí)際信號(hào)的濾波來(lái)檢驗(yàn)濾波器的特性，心電信號(hào)是屬于低頻信號(hào)，則前級(jí)要放大的信號(hào)必定為低幅值、低頻率的信號(hào)，由于信號(hào)的幅值和頻率都很小，更加容易受到噪聲的影響。在經(jīng)過(guò)高通和低通濾波之后，可以看出濾波器在截止頻率范圍內(nèi)提供了有效的濾波。 3、主放大電路設(shè)計(jì) 整個(gè)電路的放大部分主要由主放大來(lái)承擔(dān)，由于前級(jí)的放大倍數(shù)為8.6倍，因此將主放大的倍數(shù)定在100倍，整個(gè)電路總的增益為860倍（陷波器的增益不包括在內(nèi)）。這部分利用低偏置電壓的TL081CD來(lái)承擔(dān)。反向輸入端的1K和100K的電阻決定100倍增益，同相輸入端利用100K電阻平衡兩端電壓，增大共模抑制比。如圖1所示： 圖1 主放大電路仿真圖 在同相輸入端輸入60Hz,1mV Vpp的正弦信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后在6號(hào)腳測(cè)到信號(hào)Vpp約為10.1V，如圖2所示：主放大電路的實(shí)際放大倍數(shù)大約在100倍，與理論值的誤差是由芯片本身的特性以及電阻的失配引起。 圖2 主放大電路仿真結(jié)果 4、50HZ陷波器的設(shè)計(jì) 由于測(cè)得的心電信號(hào)中夾雜了工頻干擾，難以去除，并且干擾信號(hào)的幅值與心電信號(hào)相近，嚴(yán)重影響了心電信號(hào)的識(shí)別，因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行第二級(jí)放大時(shí)采用了一個(gè)陷波器，用于除去工頻干擾。該陷波器的中心頻率為50Hz，并且具有1.5倍的增益。50HZ陷波電路電路圖如圖1所示： 圖1 陷波電路 圖2 仿真結(jié)果 理論上中心頻率50Hz左右時(shí)有比較明顯的衰減，而測(cè)量結(jié)果也跟理論相近，對(duì)于實(shí)際電路，采用頻率50Hz，峰峰值為1V的，正弦信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，從圖2中看出，經(jīng)過(guò)陷波器之后，原本峰峰值為1V的信號(hào)，在1.5的增益下應(yīng)該為1.5V，實(shí)際測(cè)得的增益為由于是50Hz的信號(hào)，衰減至0.1V，效果較明顯。 5、總體電路設(shè)計(jì) 圖1 心電采集設(shè)計(jì)框圖 電路設(shè)計(jì)中最重要的是抑制信號(hào)中噪聲的產(chǎn)生及對(duì)噪聲信號(hào)的濾除，使其對(duì)心電信號(hào)本身的影響達(dá)到最小。本次實(shí)驗(yàn)中心電信號(hào)選擇為0.5至100Hz之間的頻帶。因?yàn)樾碾娦盘?hào)幅值大致都在1mV至3mV之間，電路供電電壓為±5V，因此選擇放大倍數(shù)為800至1000倍。總的電路圖設(shè)計(jì)如圖2所示： 圖2 心電采集電路總圖 圖3 仿真結(jié)果 理論上的放大倍數(shù)計(jì)算得出，前置放大倍數(shù)為8.41倍，主放大倍數(shù)為100倍，所以總體放大倍數(shù)約為841倍。然而從圖3的仿真結(jié)果看出，實(shí)際前置放大倍數(shù)約為7.57倍，這是因?yàn)閹V波模塊會(huì)衰減一部分信號(hào)，使總體的放大倍數(shù)減小，仿真實(shí)驗(yàn)到此成功結(jié)束。 五、硬件電路及仿真 1、前置放大電路 在面包板上搭建了以AD620為中心的差動(dòng)放大電路以后，用NI ELVIS軟件仿真，輸入一個(gè)頻率為25Hz，峰峰值為1V的正弦信號(hào)，得出的結(jié)果如圖1，可看出峰峰值放大了8倍左右，與軟件仿真結(jié)果相近。當(dāng)共模輸入信號(hào)時(shí)，測(cè)得的共模增益小于0.001，如圖2所示。 圖1 前置放大電路測(cè)試結(jié)果 圖2 共模輸入測(cè)試結(jié)果 2、帶通濾波電路 用一個(gè)低通濾波電路和一個(gè)高通濾波電路搭建好一個(gè)帶通濾波電路，軟件仿真計(jì)算出的帶通截止頻率在0.08Hz-49Hz之間，但由于是實(shí)際的電路做不到理想化，所以信號(hào)從30Hz就開(kāi)始衰減，如圖1所示。 圖1 帶通濾波器測(cè)試結(jié)果 3、50Hz陷波電路 圖1 陷波測(cè)試結(jié)果 圖1可看出在中心頻率為51Hz左右時(shí)的信號(hào)有明顯的衰減，由于阻值的選擇不同，所以測(cè)試結(jié)果與軟件仿真結(jié)果存在一定的誤差。 4、后級(jí)放大電路 圖1 后級(jí)放大測(cè)試結(jié)果 搭建好電路以后，測(cè)試得出圖1的結(jié)果，由圖可看出，后級(jí)放大倍數(shù)在110倍左右，與理論值的誤差是由芯片本身的特性以及電阻R4和R5的失配引起。 5、總體電路 圖1 差模輸出 圖2 共模輸出 輸入為25Hz，10mV的正弦波。采用差模輸入時(shí)，輸出為11.13V左右，放大1113倍采；用共模輸入時(shí)，輸出為1.59mV，放大0.16倍。由公式CMRR?10?log(Ad2)可得，整個(gè)電路的共模增益為76.8dB。Ac 六、人體測(cè)量結(jié)果 圖1 實(shí)際測(cè)量結(jié)果 在實(shí)際測(cè)量時(shí)，電極貼的位置及個(gè)人的皮膚狀況也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。可以用清水濕潤(rùn)皮膚，并用砂皮磨掉表面的死皮，這樣會(huì)使測(cè)量效果更加。同時(shí)被測(cè)人的體質(zhì)不同也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響。 圖2 實(shí)際電路圖 在面包板上完成上述電路的搭建，并對(duì)每一部分都進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試。最終的電路實(shí)物圖如圖2所示。左上為前置放大，使用了AD620芯片，左下為右腿驅(qū)動(dòng)電路，使用的芯片為T(mén)L082CP，中上和中部構(gòu)成了一個(gè)帶通濾波電路，使用了兩個(gè)TL082CP，中下為陷波電路，使用的芯片為OP07CP,右下為第二級(jí)放大，使用了TL082CP芯片。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，采用三導(dǎo)聯(lián)的方式，一根接右腿，其余兩個(gè)分別接左右手，若分別接左右胸口效果會(huì)更佳，由于不是很方便就采用接左右手腕的方式。 七、實(shí)驗(yàn)總結(jié) 1、難點(diǎn) （1）前置放大電路中抑制共模信號(hào)的調(diào)制。 （2）消除隨機(jī)噪聲、工頻噪聲、內(nèi)部噪聲的干擾。（3）電路圖的設(shè)計(jì)，芯片、電阻等元件的選擇。 2、調(diào)試經(jīng)驗(yàn) （1）開(kāi)始連接的電路沒(méi)有加入50Hz陷波電路，但在實(shí)際測(cè)量中有大量的工頻干擾，于是加入了該模塊，結(jié)果有效地一直掉了工頻干擾。 （2）原來(lái)選擇的低通濾波起的阻值為11K，理論計(jì)算出的截止頻率為97.6Hz，但實(shí)際測(cè)量中大量的干擾頻率在50Hz左右，于是修改了阻值，改為33K，這樣可以濾掉更多的干擾，有利于得出正常的心電圖。 （3）第一次沒(méi)有成功測(cè)出心電信號(hào)，經(jīng)討論才知道是因?yàn)榍爸梅糯笃髂K沒(méi)有做好，導(dǎo)致大量的共模信號(hào)進(jìn)入了電路，由于心電信號(hào)非常微小，就被這些干擾信號(hào)淹沒(méi)了，于是修改了差分輸入的阻值，選擇了兩個(gè)特別接近的阻值，以減小共模干擾，計(jì)算出前置放大器的共模抑制比在0.001dB左右，有效抑制了共模干擾，最終得出了正常的心電信號(hào)。 （4）雖然最后實(shí)驗(yàn)成功了，但是還是存在一些干擾信號(hào)，說(shuō)明濾波這一塊還需改進(jìn)。心電測(cè)量電路中對(duì)噪聲的消除是十分重要的。外界噪聲很有可能在電路的任何一部分摻雜進(jìn)來(lái)，所以在最后再加一個(gè)低通濾波器濾除高頻噪聲是必要的。（5）電極的放置對(duì)心電的影響也很大，放在一個(gè)準(zhǔn)確的位置可以很容易地從示波器上看到清晰的波形，反之，心電信號(hào)太過(guò)微弱會(huì)被噪聲完全淹沒(méi)。 （6）實(shí)驗(yàn)中，有源濾波器比無(wú)源的濾波效果要好很多。兩個(gè)有源濾波器串聯(lián)構(gòu)成的帶通濾波器也比無(wú)源和有源串聯(lián)的效果好。 （7）對(duì)于電容的選擇：在本次實(shí)驗(yàn)中，用瓷片電容的效果比電解電容要好一點(diǎn)。因?yàn)榇善娙輼?gòu)成的濾波器濾除高頻成分的性能好，電解電容構(gòu)成的濾波器濾除低頻成分的性能好。第三篇：虛擬儀器數(shù)據(jù)采集應(yīng)用論文
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