（控制理论与控制工程专业论文）智能假肢控制源——肌电信号采集分析系统的研究.pdf

河北工业犬学硕士学位论文 智能假肢控制源一一肌电信号 采集分析系统的研究 摘要 肌电信号作为智能肌电假肢的主要控制源，研究肌电信号与人体动作问的联系对智能 假肢的研究有着重要的意义。基于p c 的虚拟仪器技术是一种新兴的构造仪器的技术，它 利用计算机强大的计算能力和丰富的软硬件资源来组织仪器系统，实现从传统仪器向计算 机系统的过渡。本文采用虚拟仪器的方法，建立了一种新的肌电信号采集、显示、分析方 法，为肌电控制智能假肢的研究建立了一个开发平台。 首先，本文介绍了虚拟仪器和数据采集技术的特点和基本组成：然后对所要采集的肌 电信号的特点做了详细介绍。第四章介绍了肌电信号采集系统的硬件组成，重点是对滤波 方法和去除5 0 h z 工频干扰做了详细的介绍。第五章介绍了软件的设计思路和设计方法， 运用v c + + 6 0 对软件完成设计。 本课题的创新点就是将虚拟仪器的概念引入到肌电信号采集仪中来，建立了一套基于 p c 的智能肌电采集系统。 关键词：虚拟仪器，数据采集，表面肌电信号，滤波，软件设计 智能假胜控制源一一肌 b 信号采集分析系统的研究 a s t u d yo f t h ei n t e l l i g e n tp r o s t h e s e s c o n t r o l l i n gs o u r c e - e m g a c q u i s i t i o na n da n a l y s e ss y s t e m a b s t r a c t 1 1 1 ee m gs i g n a l sa r et h em a j o rc o n t r o l l i n gs 0 1 1 r e e ，t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ee m gs i g n a l s a n dt h eh m n a nm o t i m a sh a sav e r yi m p o r t a n ts i g u i a n c ef o rt h es m d yo fi n t e l l i g e n tp r o s t h e s e s t h ev i r t u a li n s t r u m e n t s ( v i ) t e c h n i q u eb a s e do np ci st h et e c h n i q u eo fak i n do fn e w l ya r i s e n s t r u c t u r ei n s t r u m e n t ；i to r g a n i z e st h ei n s t r u m e n ts y s t e mb ym a l d n gb s eo fs t r o n gc a l c u l a t i o n a b i l i t ya n da b u n d a n ts o f t w a r e h a r d w a r er e s o u r c e so fc o m p u t e r s a n dr e a l i z e st h et r a n s i t i o n f r o i t it h et r a d i t i o n a li n s t m r n e n t st ot h et r a n s i t i o n so f t h ec a l c u l a t o rs y s t e m t h i st h e s i sa c h i e v e sa k i n do fn e we m ot oa c q u i r e ，s h o w , a n a l y z em e t h o di nv i e wo ft h ev it h e o r ya n db u i l d su pa d e v e l o p m e n tt e r r a c ef o rt h er e s e a r c ht h a tt h ee m gc o n t r o l l i n gi n t e l l i g e n tp r o s t h e s e s f i r s t t h i st l l e s i si n t r o d u c e st h ee h a r a e t e d s t i e s a n db a s i c c o m p o s h i o no f t h ev i r t u a l i n s t r u m e n t sa n dd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n i q u e ；t h e nt og i v e ad e t a i l e di n t r o d u c t i o nt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fe m gt h eh a s d w a r ec o m p o s i t i o n so fe m ga c q u i s i t i o ns y s t e ma l es h o w e di nt h e4 “ c h a p t e r s ，t h em e t h o d so ff i l t r a t i o na a dd i s l o d g i n g5 0 h zd i s t u r b a n c ea r cs p e c i a lf o c u s e do n i nt h e5 ”c h a p t e r s t h et h e s i sg i v et h es e t , w a r et h i n k i n ga n dm e t h o d s ，i tu s ev c + + 6 0t oc o m p l e t et h ed e s i g nt ot h e s n f l w a r e t h er e s e a r c hj o bh a v eai n n o v a t i o nv i e w p o i n tt h a ti tb e l o n g st o g e t h e rt h ev ic o n c e p t i o na n d e m ga c q u i s i t i o ns y s t e m sa n db u i l d sas e to fi n t e l l i g e n te m ga c q u i s i t i o n sa n da n a l y s e ss y s t e m o nt h ea e c o u n to f p c i l k e y 3 v o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s u r f a c ee m gf i l t e r , s o f t w a r ed e s i g n 河北工业大学顿_ 上学位论文 第一章绪论 卜1 本课题的研究意义 智能假肢是2 0 世纪后1 0 年发展起来的具有高性能的新一代假肢，是机器人学和生物医学工程领 域的一个前沿性研究课题。智能假肢的智能性主要体现在能够根据人脑发出的意念和实际环境调整假肢 系统的参数，灵活可靠的完成动作。概括地说，所谓智能假肢，就是将微电子技术、计算机控制技术与 生物医学工程技术以及传感器技术等一系列高新技术融合在一起，制作出的能够模仿正常人体感觉和动 作的仿生假肢。智能假肢研究的最终目的是制造出外形与正常人体相仿、功能与人体接近、具有类似人 体的感觉、能对动作进行实时控制的假肢。图1 1 是智能假肢的工作原理。通过智能假肢的模型可以看 出，智能假肢的研究重点在于得到人脑所发出的信号并将其转化为物理控制信号。 图1 1 智能假肢模型 f i 9 1 1m o d e lo f i n t e l l i g e n tp r o s t h e s e s 人脑所发出的各种信号都被称为生物电信号，包括脑电信号( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ，简称e e g ) ，神 经冲动( n e r v ei m p u l s e ) 和肌肉电信号( e l e c t r o m y o g r a m ，简称e m g ) ，在假肢应用方面，由于肌电提 取方便，信号强度大，比另两种信号容易识别，所以现阶段使用最多的是肌肉电信号( 以下简称肌电) ， 而在肌电信号中，尤以表面肌电信号( s u r f a c ee m g ，简称s e m g ) 以其无刨伤测量，易提取的优点为 肌电控制假肢所用。对于肌电智能假肢的研究来说，其最大的难点是将表面肌电的波形特征和人体运动 之间的关系一一对应起来，如果可以实现这一步，就可以根据这些对应关系建立控制模型，实现对智能 假肢的动作的控制。传统的肌电图机是将人体的肌电采集、放火，然后由医生来根据自己的行医经验完 成诊断，已经不能满足肌电智能假肢研究的的要求，因此开发新型的肌电采集分析仪器成为了当前紧迫 的任务。 近年来，个人计算机技术飞速发展，计算机的运算能力和存储能力大幅提高以及计算机周边硬件的 发展为计算机进入仪器仪表领域奠定了基础。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 就是将计算机 硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种 由计算机操纵的模块化仪器系统，它代表了今后仪器仪表的发展方向。 将传统的肌电图采集系统硬件和计算机硬件资源相结合，加上软件编写的显示、存储、数据分析等 模块就组成了基于虚拟仪器的肌电信号采集分析系统。它集肌电的采集、存储、显示和分类识别为一体， 既可以完成传统肌电图机的基本功能，又可以完成肌电数据的在线分类分析，将成为智能假肢研究的有 力工具。 智能假肢控制源一- w e 电馈0 采囊分析系统的研究 卜2 论文的主要研究内容 本课题主要研究的内容是基于虚拟仪器的肌电信号采集分析系统。如图1 2 所示，它主要由硬件和 软件两部分构成。硬件部分又包括电极，前置放大器，数据采集卡，和个人电脑；软件部分主要实现的 功能是信号采集，实时显示，数据分析，结果显示和数据存储等。通过该套系统就可以实现对人体肌电 信号的采集、分析、显示，帮助研究人员找到人体发放的肌电信号和形体动作问的关联，从而为智能肌 电假肢的研究搭建一个平台。 硬件部分 软件部分 图1 2 基于虚拟仪器的肌电采集系统框图 f i 9 1 1t h eb l o c kd i a g r a mo f e m ga c q u i s i t i o ns y s t e m i n v i e wo f v l 构建一套完善的仪器设备，首先就必须对采集对象的特性进行深入的分析研究，根据测试对象的 性质来选取适合的采集方案；其次，要确定数据采集、存储、分析和处理的流程，以实现数据的规范化： 再次，基于虚拟仪器的系统应当具备一定的开放性和扩展性，以适应不同用户的要求：最后，重点构建 信号分析的软件模块，突出信号分析的功能。 根据以上要求现将肌电信号采集分析系统的开发要求叙述如下： 1 该系统应能完成对微弱的肌电信号拾取功能，即有适合的采集电极： 2 该系统应能屏蔽干扰，滤除杂波，得到有用的肌电信号； 3 该系统应能改变放大增益，即依照不同部位肌电信号幅度的不同调节放大倍数； 4 具备数据多通道并行采集和处理的能力； 5 具备不同种信号分析能力，即可以用不同的数据分析方法对肌电信号进行分析； 6 具备实时显示能力和良好的交互能力； 7 具有高度的可继承性、可重用性、通用性和扩展性，即提供开放式软件接口以适应以后的扩展； 8 具备一定的故障诊断功能。 根据以上这些要求，本研究主要在以下几个方面展开【作： 1 选择台适的肌电电极； 2 设计前置放大器； 3 选取台适的数据采集卡； 4 选取合适的编程语言，进行软件设计； 5 将现有的信号分析分类算法改编为软件模块，构成虚拟仪器的核心分析模块。 卜3 本研究要解决的问题 本研究将虚拟仪器的概念首先引入到肌电信号采集分析系统中来，所要解决的问题也包括馒件莆鸸芡 智自 假脑控 | j ! | 源一一肌电信号采鬟分析系统拘研究 卜2 论文的主要研究内容 本课题主要研究的内容是基于虚拟仪器的肌电信号采集分析系统。如醋1 2 所示，它主要白硬忭和 软件两部分构成。硬件部分又包括屯极，前置放大嚣，数据采集卡，利十人屯脑；软件部分主要实现的 功能是信号采集，实时显示，数据分析，结果显示和数据存储等。通过该套系统就可以实现对人体肌电 信号的采集、分析、显示，帮助研究人员找到人体发放的肌电信号和形体动作闷的关联，从而为智能肌 电假肢的研究搭建一个平台。 硬件部分 软件部分 图1 2 基于虚拟仪器的肌电采集系统框图 f i g l1 t h eb l o c k d i a g r a m o f e m ga c q u l s i f i o ns y s t e m i n v i e wo f v i 构建一套完营的仪器设备，首先就必须肘采集对象的特性进行深a 的分析研究，根据测试对象的 性质来选取适合的采集方案；其次，要确定数据采集、存储、分析和处理的流程，以实现数据的规范化； 再次，基子虚拟仪器的系统应当具备一定的开放性和扩展性，以适应不同用户的要求：最后，重点构建 信号分析的软件模块，突出信号分析的功能。 根据以上要求，现将肌电信号采集分析系统的开发要求教述直= 下： 1 该系统应能完成对微弱的肌电信号拾取功能，即有适台的采集电极： 2 设系统应能屏蔽干扰，滤除杂波，得到有用的肌电信号； 3 该系统应能改变放大增益即依照不羁部位肌电信号幅度的不同调节放大倍数； 4 具备数据多通道并行采集和处理的能力； 5 具备不同种信号分析能力，即_ j 以用不同的数据分折方法对肌电信号进行分析； 6 具备实时昂示能力和良好的变互能力： 7 具有高度盼可继承性、可重用性、通用性和扩展性，即提供开放式软件接口以适应以后的扩展： 8 具备一定的故障诊断功能。 根据以上这些要求，本研究士耍在以下儿个方面展开工作： 1 选择台适的肌电电极： 2 设计前置放大器； 3 选取台遥的数据采集卡； 4 选取台适的编程语言，进行敬件设计： 5 将现有的信号分析分类算法改编为软件模块，构成虚拟仪器的核心分析模块s 2 1 - 3 本研究要解决的问题 木研究将虚拟仪器的概念首先引a 到肌电信号采集分析系统中来，所要解决的问题也包打埂什用1 软 本研究将虚拟仪器的概念首先引人到肌电信号采集分析系统中米，所要解决的问题也包括硬什和软 河北工业人学砸学位论文 什两部分，首先来说硬件部分所面临的问题： 第一，要选取合适的肌电电极。由于肌电的电极与人体皮肤进行接触，所以首要的原则是不能对人 体皮肤产生伤害；其次由于人体皮肤的电特性，也要考虑材料利布局的问题；最后由于肌电信号是一种 非常微弱的信号，幅值在i v 级和m v 级之问”“，非常容易受到周围信号的干扰，从电极开始就要考 虑到去除周围干扰的问题。 第二，要解决的问题是选用合适的前置放人电路。还是由于肌电信g - 的微弱性，在传递过程中很窖 易受外电场和电路噪音的影响。因此整个采集电路的设计不仅要考虑信号的放大，还要充分考虑到怎样 去除干扰，取得有用信号。还由于肌电信号的主要频谱集中在2 0 h z 1 5 0 h z 之间，工频干扰的去除”“ 就成为了整个电路的设计关键。 第三，数据采集卡的选取问题。选取的数据采集卡首先采样频率和精度要达到要求，其次还可以进 行多通道并行采集，再次，选取的数据采集卡最好带有程控放大功能，可以根据采集肌电的幅值不同， 进行不同增益的放大。 对于软件部分所面临的问题是： 第一，如何选择开发工具的问题。选择编程软件首先要考虑到所采用的数据采集 ，看该采集卡是 不是在这开发工具下有非常方便的接l ，是不是该开发工具可以满足数据采集卡对软件的要求；其次要 考虑软件编写是否简单明了；最后要考虑软件的可继承性、可重用性、通用性和扩展性，即所编写的软 件模块可以方便的重新开发利删。 第二，软件设计中首先要解决的是数据采集和实日寸显示问题。由于本研究的实时性要求不高，在数 据采集需要采取合适的模式，米保证数据的连续采集，不丢点。在实时显示中要可以改变波形的显示标 尺，可以查看局部波形的放大图。 第三，数据分析模块的设计。现阶段，各种先进的信号分析方法被陆续应用于肌电信号分析中来， 其中包括小波分析，神经网络分类，混沌分形等方法，本研究要解决的问题就是将常规的时域分析法， 频域分析法，和那些先进的小波分析，神经网络分形等分析方法引入到肌电信号采集分析仪中来。所要 解决的问题就是将这些数学算法编写成肌电信号分析模块，有机地和肌电信号采集分析仪结合起来。 咀上所述都是本论文研究的重点内容。此外，对于整套仪器设备，还要考虑如何控制成本及其携带 性还有软硬件的升级等问题。这些问题的解决方法将在论文中陆续体现。 智能假败控制源一一舰l 也信号采集分析系统的研究 第二章系统设计基本理论与分析 肌电信号采集仪不仅是一套虚拟仪器，其本质上也是一套微信号采集系统，需要遵从数据采集技 术的规则，本章将分别对虚拟仪器系统的概念和发展状况、虚拟仪器的软硬什结构及其采集技术的理论 进行了分析介绍。 2 - i 一1 虚拟仪器的概念 2 - 1 虚拟仪器的概念和发展现状 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) ，是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用丁数据分析、 过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。利用现有的 计算机，配上相应的硬件( 如数据采集卡、输入输出卡、g p i b 卡等) 和专用软件，组成既有普通仪器的 基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。它利用p c 强大的图形环境，建立 界面友好的虚拟仪器面板( 即软面板) ，操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行， 完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。 虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。由丁软件是虚 拟仪器的关键，所以当基本硬件确定以后，就可以通过不同的软件实现不同的功能。用户可以根据自己 的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用要求。利用计算机丰富的软、硬件资源，可以大大 突破传统仪器在数据的处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果。本研究 就是根据虚拟仪器的概念构建基于p c 系统的肌电信号采集分析仪。 2 - i 一2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的突出优点是不仅可以利用p c 机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种 不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。它可以通过与不同的接口总线的通讯，将虚拟仪器、带 接口总线的各种电子仪器或各种插仲单元，调配并组成为中小型甚至大型的自动调试系统。 与传统仪器相比，虚拟仪器有以f 优点： 1 融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，将这些 管理集中交给计算机来处理，大大增强了传统仪器的功能。高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬 盘等已成为虚拟仪器的标准配置。 2 利明了计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了物质资源，增 加了系统灵活性；另一方面，通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与 处理；此外，通过图形削户界面( o u l ) 技术，真正做到界面友好、人机交互。强调“软件就是仪器”的 新概念，软件在仪器中充当了以往由硬件实现的角色，在某种程度上可以完成传统仪器不可能实现的测 试功能。例如存本研究中通过分析软件算法对肌电信号进行在线的分析显示。 3 由于减少了许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加上标准化总线的使用， 使系统的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高，还大人减少了实验设备的维护费用。 4 河北下业大学醐十学位论文 4 基丁计算机总线和模块化仪器总线，使传统仪器的硬件实现了模块化、系列化，大大缩小了系 统尺、j 可方便地构建模块化仪器( i n s t r u m e n t0 1 3ac a r d ) 。 袭2 1 传统仪器与虚拟仪器比较表 t a b l e 2 1t h ec o m p a r i s o no f t r a d i t i o na n dv i r t u a li n s t r u m e n t s 如c a n ，f i e l d b u s ，p r o f i b u s 等各种工业总线标准。因此，利用v i 技术可方便地构建自动测试系统 ( a t s ，a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) ，实现测量、控制过程的网络化。 6 基于计算机的开放式标准体系结构，虚拟仪器的硬、软件都具有开放| 生、模块化、可重复使用 及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、 效率更高，缩短了系统组建对间。 7 由于虚拟仪器技术是建立在当今世界最新的计算机技术和数据采集技术基础上的，网此技术更 新较快，其成本低，测试自动化程度高。 2 - 1 3 虚拟仪器发展现状 虚拟仪器的概念是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p 简称n i ) 于1 9 8 6 年提山的。8 0 年代 以来，n i 公司研制和推山了许多总线系统的虚拟式仪器，成为这类新型仪器世界第一生产大户。此后， 美国的惠普( h p ) 公司，t e k t r o n i x 公司，r a c a l 公司等也相继推出了许多此类仪器，并在短短的1 0 余年 便占有了世界仪器市场的1 0 左右。目前，虚拟仪器在发达国家已经十分普及。在美国虚拟仪器系统 及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。据“廿t 界仪表及角动化”杂志预测，2 l 世纪初叶，世界虚拟仪器的生产厂家将超过千家，其r 钻种将达到数干种，市场占有率将达到5 0 左右。 虚拟仪器将成为下一世纪仪器发展的方向，而且有逐步取代传统硬什化电子仪器的趋势。 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器 公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响的开发软 件，是n i 公司的l 曲v i e w 软件和l a bw i n d o w s c v i 开发软件。l a bv i e w 采用图形化编控方案，是 智能假肢控制源一一肌电信j 采集分析系统的础究 非常实用的开发软件。l a bw i n d o w s c v i 是为熟悉c 语肓的开发人员准备的、在w i n d o w s 环境下的标 准a n s i c 开发环境。除了上述的优秀开发软件之外，美国h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件，美 国t e k t r o n i x 公司的e z t e s t 和t e k - t n s 软件，以及美国h e md a t a 公司的s n a p m a s t e r 平台软件，也是 国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。 作为仪器领域中最新兴的技术，虚拟仪器的开发和研究在国内尚属于起步阶段。从9 0 年代中期以 来，国内的清华人学，重庆大学，西安交通大学，西安电子科技大学以及中科泛华电子科技公司，东方 振动和噪声技术研究所等高校和公司，在研究利开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及消化吸收 n i 等产品方面作了大量。f ：佧，其成果已在汽车发动机检测、自动计量控制系统等方面得到应_ | = j 。其中， 成果比较显著的是重庆大学的秦树人教授所研制的虚拟仪器，目前重庆大学研制的产品己包括示波器、 f f 丁分析仪、噪声测试分析仪、小波变换信号分析仪、多通道数据采集器等2 0 多个品种，并且町以根 据客户需求进行个性化设计。近日，这些虚拟仪器在中国计量科学研究院的测试结果表明，其产品性能 完全达到同类硬件仪器的技术指标。重庆大学进行的开发工作与国外的n l 公司在技术路线上最大的区 别在丁j ：直接提供仪器本身，而不需要操作人员有较高的计算机软硬件知识，冈此可广泛适用于教育、 科研、丁业生产等领域。在国内，已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，其中包括上海复日大学、 ，j ：海交通犬学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、两年来这些学校在原有的基础 上，义开发了- - t i t 新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华中理工大学机械学院工程洲试实验室将 其开发成果在网上公开展示。四川联合人学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综 合测试仪”将8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华火学汽车系利用虚拟仪 器技术构建的汽车发动机检测系统用于汽车发动机的出厂检验。主要检测发动机的功率特性、负荷特 性等。一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。此外，国内已经有儿家企业在研制p c 虚拟 仪器，哈 一大仪器王电子有限责任公司就是其中之一，它的产品己达到一定的批量。其丰要产品有数字 存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系列。 国内专家预测；未来的几年内，我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器。国内将有大批企业使用虚拟仪 器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测 试仪器而成为测试仪器的主流。 以i n t e m e t 为代表的计算机网络的迅速发展及其相关技术的日益完善，使传统的通信方式突破了时 空限制和地域限制，人范围的通信变得越来越容易。i n t e m e t 相关技术，已被广泛应用于各行业，对测 控系统的组建也产生了越来越人的影响。 一个大的复杂测试系统的输入、输出、结果分析往往分布在不同的地理位置，仅用一台计算机并 不能胜任测试任务，需要由分布在不同地理位置的若干计算机共同完成整个硼试任务。集成测试越来越 不能满足复杂测试任务的需要，因此，“网络化仪器”的出现成为必然。“网络就是仪器”概念的确立， 使人们明确了今厉仪器仪表的研发战略，促进并加速了现代测簧技术手段的发展与更新。 2 - 2 虚拟仪器系统的构成 虚拟仪器一般由硬件设备与接v l 、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成。其中，硬件设备与接口可 以是各种以p c 为基础的功能插卡、通用接口总线( g p i b ) 接口卡、串行口、v x i 总线仪器接口、u s b 总 线接口等设各，或者是其他各种可程控的外置测试设备：设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动 程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯：并以虚拟仪器面板的形式在计算机 屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件。在这些控件中继承了对应仪器的程控信息，所 6 i j l s - 业火学坝士学位论文 以用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样的真实与方便。 对于普通的测试设冬，一般所得到的测试数据需要测试人员手工实时记录。如果数据量比较大的 时候，就将使测试过程变得冗艮、复杂，不可避免的引起测试误差。而且有的常用测试仪器，比如示波 器，一般只对被测对象做出定性测试，如果要得到实际物理数据，只能通过特定的本身带有的软盘驱动 器将数据存入软盘。然后再利用软盘与其他分析仪器“交流”数据。而采用虚拟仪器技术，测试设备所 得到的测试结果将会实时、直接的通过计算机的总线，传输到计算机的内存或硬盘，供以后分析使用。 另外，根据工程的实际需要，使用人员可以通过软件编程或采用现有分析软件，实时、直接的对 测试数据进行各种分析与处理，如完成d f t 、f f t 运算、p i d 控制、模糊逻辑控制、联合时域分析、数 宁信号处理、数学分析和数据库连接、统计分析参数调整、单位转换等工作，从而对被控对象进行进一 步的控制。例如奉课题，就是通过软件编程对肌电信号进行f f t 运算，小波变换，及神经网络分类等。 下面从硬件、软件两方面介绍虚拟仪器的构建技术。 2 - 2 1 虚拟仪器系统的硬件组成“ 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、丁作站、嵌入式 计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。计算机技术在显示、存储能 力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展导致了虚拟仪器系统的快速发展。 按照测控功能硬件的不同，v i 可分为g p i b ， v x i ，p x i 和d a q 四种标准体系结构。 】g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。g p i b 的硬什规格和软件协议已纳入国际工业标准一i e e e 4 8 8 1 和i e e e4 8 8 2 。它是最早的仪器总线，目前多 数仪器都配置了遵循 e e e4 8 8 的g p i b 接口。 典型的g p i b 测试系统包括一台计算机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器。每台g p i b 仪器 有单独的地址，由计算机控制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作 相应改动。这种概念已被应用于仪器的内部设计。 在价格上，g p l b 仪器覆盖了从比较便宜的到异常昂贵的仪器。其技术已经比较成熟，目前仍有大 量用户拥有带有g p i b 接口的各种仪器。但是g p i b 的数据传输速度一般低于5 0 0 k b s ，不适合于对系 统速度要求较高的应用。 2 v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 系统是一种模块化的仪器系统平台，是v m e 总线在 仪器领域的扩展，是在1 9 8 7 年，在v m e 总线、e u r o c a r d 标准( 机械结构标准) 和1 e e e4 8 8 等的基础上， 由主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。 它具有体积小、结构紧凑、数据传输效率高( 4 0 m b y t e s s ) 、信息吞吐量大、系统可靠性强等特点， 特别是其测量功能强大，系统中各功能模块可随意更换，即插即用组成新系统，大大减少了用户的系统 开发时间，因此在复杂科研和高科技产品领域迅速受到重视。v x i 技术的推出，使仪器和自动测试技术 产生了一个质的跃，成为虚拟仪器领域中最重要的代表。用v x i 组成的虚拟仪器，适用丁测试工作 量大、测试项目复杂、要求测试速度高、精度高且空间狭小环境比较恶劣的地方，多用在高科技和军工 部门。但是v x i 价格相对过高，适合于尖端的测试领域。 3 p x ir p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，p c i 在仪器领域的扩展) ，是n j 公司于1 9 9 7 年发布的一 种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是c o m p a c tp c i 结构和m i c r o s o f tw i n d o w s 软件。 p x i 是在p c i 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。p x i 增加了用于多板同步的触发总 线和参考时钟、辟j 。f 精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足试 验和测量用户的要求。p x i 兼容c o m p a c tp c i 机械规范，并增加了主动冷却、环境测试( 温度、湿度、 7 智能假肢拄制源一肌电信号采集分析系统的 i 】f 究 振动和冲击试验) 等要求。这样一来，可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。 p x i 模块即插即用，使川灵活方便。由于采用p c i 总线，因此其数据佳输速率高( 1 3 2 2 6 4 m b y t e s s ) ； 尤其是p x i 的操作系统和开发系统是为人们所熟悉的m i c r o s o f t w i n d o w s 软件，符合人们的心理和习惯， 易于开发进行系统集成。p x i 与g p i b ，v x i ，c o m p a c t p c i 具有兼容性，可以很方便的组成混合系统。 p x i 的价格要比v x i 便宜很多，但在机械、电气方面均有严格的标准也造成它对于民用来说价格偏高， 不利于控制仪器的成本，因此本研究选用。 4 d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 数据采集，指的是基于计算机标准总线( 如i s a 、p c i 、p c 1 0 4 等) 的内置 功能插卡。它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。利用d a q 可方 便快速地组建基丁计算机的仪器( c o m p u t e r - b a s e d i n s t r u m e n t s ) ，实现“一机多型”和“一机多用”。 目前，市场上现代的数据采集( d a q y 多功能卡产品种类繁多，功能齐全，从数据采集的前向通道 到后向通道的各个环节，都有对应的d a q 产品。可以完成模拟波形采集与产生、数字信号采集、数字 波形采集、波形采集数据自动存储、模拟i 0 、数字i ( 3 、定时i o 、信号调理等工作；配有各种操作系 统完整的设各驱动程序；具有完备的使用指南，可阻让i 0 通道的命名、比例变化和寻址操作更加简单。 在性s 上，随着a d 转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展，d a q 的 采样速率已达到1 g b s ，精度高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并能任意结合数字i o ，模拟i o 、计数器 定时器等通道，能保证仪器的性能、精度与可靠性。 对于本研究来说，由于所采用的p c 机是基于笔记本电脑的，不适合内置的插卡，因此也无法选择 d a o 数据采集。 圈2 ，】数据采集系统的功能模块 f i 薛1b l o c kd i a g r a mo f d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m 5 当今的计算机外围设备，都在追求高速度和高通用性，为了满足川户的需求，以i n t e l 为主，并 有c o m p a q 、m i c r o s o f t 、i b m d e c 、n o r t h e r n t e l e c o m 以及日本n e c 等共七家公司共同制定了串行接口 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a l b u s ) 总线协议，弗y - 1 9 9 6 年2 月公布了u s b l 0 规范。目前，u s b 已成为了微 机的标准端口，使州中的协议有1 0 、1 1 、和2 0 三个版本，并向下兼容，通讯速率分别达n t1 5 m b d s 、 1 2 m b p s 、4 8 0 m b p s a u s b 总线以其方便、快捷、支持即插即用、热插拔、价廉等优点，必将在虚拟仪 器方面有广泛的应用。本课题就是采用u s b l 1 总线的a d 采集卡完成数据采集。 图2 2 给出了虚拟仪器系统的硬件构成图。 8 河北工业大学硕士学位论文 卜叫堕量塑堑蔓 - _ 叫数据、图像采集l + ig p l b 接口仪器l + _ 叫g p i b 接u 卡卜 卜一串行口仪器，p l c 卜 - 计算机 被 传 ( 装有虚 钡4 斗 感 。厂= = i 二 对7 l ：! 坠竺1 1 7 拟仪器开 象 器 发软件) 卜叫现场总线( f i e l d 、c a n b u s ) 卜斗 h l 计算机内置插卡卜 峄叫u s b 总线设备卜+ 图2 2 虚拟仪器系统硬件组成 f i g z 2t h eb l o c kd i a g r a mo f v ls y s t e mh a r d w a r e 2 - 2 2 虚拟仪器系统的软件结构 测试软件是虚拟仪器的“主心骨”。n i 公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用“软 件就是仪器”来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的极为重要的位置。但这并不排斥测试硬 件平台的重要性。n i 公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件。使用者可以根据不同的 测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。 n i 公司推出的虚拟仪器概念迅速得到世界各国的广泛欢迎和支持，其主要原因就是他们从一开始 就推出丰富而实用的开发软件，如面向科学家和工程技术人员( 而不是计算机的编程人员) 的l a bv i e w 和l a bw i n d o w s c v 虚拟仪器开发平台软件。这些软件以简单直观的编程方式、众多源码级的设各驱 动程序、丰富实用的分析表达功能利支持功能，使使用者能快速地构建自己的测量仪器或测量仪器系统。 这些软件提供简单、直观、易于操作的图形编程方式，把复杂的语言编程方式简化为菜单提示方式，使 科学家和丁程技术人员可以得心应手地编制测试软件，规范一套由通用电子计算机和必需的电子测量硬 件模块组成的硬件测试平台来实现新的测试任务和要求。 测试软什的主要任务是： 1 规范组成虚拟仪器的硬件平台的哪些部分被调用，并且规范这些部分的技术特性； 2 规范虚拟仪器的凋控机构，设置调控范围，其中不少功能和性能直接由软件实现； 3 规范测试程序； 4 调用数据处理和高级分析库，处理和变换澳p 试结果； 5 在电子计算机的显示屏上显示测试结果的数据、曲线族、模型甚至多维模型； 6 规范测试结果的信息存储、传送或记录。 9 智能假肢控制源一一肌电信已采集分析系统的研究 i 数据分析处理软竹 仪器驱动程序 匦亏孚 数据采集卡 l 计算机 图2 3 虚拟仪器测试系统的软件结构 f i 9 2 3s o t t w a t es t r u c t u r eo f v lt e s t i n gs y s t e m 在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机 直接参与测试信号的产生和测量特征的解析，使仪器中的一些硬件甚至整件仪器扶系统中“消失”，而 由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。虚拟仪器测试系统的软件主要分为：仪器面板控制软件，数 据分析处理软件，仪器驱动软件和通用i o 接口软件( 如图2 3 所示) 。 2 - 3 高速数据采集技术 典型的高速数据采集系统一般应该有1 m h z 以上的采样率和多个采样通道，不论是虚拟仪器系统， 还是基于p c 平台的测试系统，数据采集卡( d a q ) 都是其中非常关键的一部分。利用数据采集卡把模拟 信号转换成数字信号，才能送入计算机进行处理。数据采集后的数字信号必须能比较真实的反映采集前 的模拟信号，这就要求数据采集卡采样速率高、信号的火真小。因此了解数据采集技术对设计出性能优 良的数据采集卡是必不可少的。 2 - 3 1 数据采集技术的基本概念”l 随着计算机的广泛应用雨i 电子技术的高速发展，数字系统已经被广泛应用于国民经济、国防建设 与科学实验的各个领域。和模拟系统相比，数字系统有精度高、稳定性好等优点，但数字系统只能处理 离散的数字信号。外部世界各种被检测的物理量，如温度、压力、位移、角度等都是模拟信号，因此需 要将这些模拟信号转换为便于处理和存储的数字信号。 1 数据采集系统的框图 实际外部世界中的数据采集技术耍处理以下三类信号： 1 ) 开关信号：只有两个状态( ( 0 或1 ) 的数字信号。 0 享 河北工业人学硬士学位论文 2 ) 数字信号：用二进制形式表示的数据。 3 ) 模拟信弓：在规定连续时间内，信号的幅值可以在连续范围内仟意取值的信号。 例2 4 给f j l 了外部世界数据采集技术的框图： 图2 4 外部世界采集技术 f i 9 2 4d a t aa c q u i s i t i o nt e c h n i q u e 2 数据采集系统的功能模块 由于对开关信号或数字信号计算机可以直接采集处理，所以数据采集技术主要讨论模拟信号的采 集。将模拟信号转换为数字信号与直接米白传感器的其他数字信号、开关信号等送往计算机，并进一步 予以处理、显示的过程，称为数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ) 。实现数据采集的系统即称为数据采集系统f d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 。下面主要讨沦下模拟信号采集的各功能模块的作用。 1 ) 传感器 传感器把物理信号转换成电信号。例如：热电偶、热敏电阻、关成电路传感器等，都将温度转变成 电瞌和电阻。又如应变片、流量传感器、压力计等将流速、压力转换成电信号。对于每种传感器，电信 号的大小都与被监测的物理参数成正比。 2 ) 信号调理 从传感器输出的信号必须经过调理才能够连入数据采集板，信号调理包括衰减、放火、隔离、滤波、 传感器激励、线性化等处理。 衰减 信号衰减的作州是将输入信号的幅度进行调理，幅度较大的信号经过衰减使其幅度在后面模数转换 的输入范围内，才能正确采样。 放大 微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，也使调理后信号的最大电压值和a d c 的最大输 入值相等，这样可以提高精度。同时，高分辨率可以降低对高放大倍数要求并可以提供较宽的动态n n 。 仪器信号调理的前端系统有几种放大模式，这些放大增益适合于仪器信号调理机架靠近传感器的微弱信 号。最后只把大信号送给计算机，以使噪声影响减到最小。 隔离 隔离也是信号调理中的一种。从安全的角度把传感器信号同计算机隔离开，因为被监测系统可能产 生瞬时高电压。另一个原因是隔离可使从数据采集板出来的