（生物医学工程专业论文）基于虚拟仪器的心功能检测系统的设计.pdf

重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t c o r o n a r yh e a r td i s e a s e ( c h d ) i sac o m m o nc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e a c c o r d i n gt o t h es t a t i s t i cb yw o r l dh e a l t ho r g a n i z a t i o n ( w h o ) ，t h e r ea r ea b o u t1 2m i l l i o np e o p l ed i e f r o ma c u t em i o c a r d i a li n f a r c t i o n , a n do n et h i r do ft h e md i ef r o mc h d t h ed i a g n o s i s a n dt r e a t m e n to f c h da r eo b t a i n e dm u c he m p h a s i s s oi ti sav e r ys i g n i f i c a n ts u b j e c tt o a i dt h ed o c t o r si ne x a c t , q u i c ka n de a s yd e t e c t i o no ft h el l i g hr i s kg r o u po fc h d a n d a d o p ta g t i v ei n t e r v e n t i o n ， e l e c t r o c a r d i o g r a m ( e c g ) t r e a d m i l le x e r c i s et e s ti sc o m m o n l yu s e df o rt h ec l i n i c a l d i a g n o s i so fc h df o ri ti sc o n v e n i e n ta n dn o n - c r e a t e d t h et r a d i t i o n a lh e a r tf u n c t i o n e x a m i n a t i o nt o o li st o u c h - t o n eb i c y c l ee r g o - m e t e r i ti s e x p e n s i v e ，s i n g l e f u n c t i o n , d i f f i c u l tf o ru p d a t e ，e x p e n s i v ef o rm a i n t o n a n c e , a n di n c o n v e n i e n tf o rc o m m u n i c a t i o n w i t hc o m p u t e r i nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h eb i g g e s ts t h rs l o p et h e o r y , o n e c o m p u t e r - c o n t r o l l a b l e , s i m p l e , o p e n e d ，a n df l e x i b l eh e a r tf u n c t i o nd e t e c t i o ns y s t e mw a s d e s i g n e dw h i c hw a sa l s ob a s e do nv i r t u a ld e v i c et e c h n o l o g y t h i ss y s t e mw a sm a d eu po f u pa n dd o w nm a c h i n e d o w nm a c h i n ew a sc o n t r o l l e d b yp i c l 6 f 8 7 7 as i n g l ec h i pm i c y o c o ( s c m ) t h ea m p l i f i e da n df i l e r e de c gs i g n a lw a s c o l l e c t e db yd o w nm a c h i n e , t h e nt h ea n a l o gs i g n a l sw a st r a n s f o r m e dt od i g l t a ls i g n a l s ， a n dt r a n s f e r r e dt 0u pm a c h i n eb yu s bi n t e r f a c e t h ew o r k i n gp r o c e s so fc o n t r o l l i n g e l e c t r i cc i r c u i tf o rc y c l ew a sd e s i g n e d 嬲f o l l o w i n g 瞩i h e nd o w nm a c h i n er e c e i v e dt h e c o n t r o l l i n gs i g n a lf o ru pm a c h i n eb yu s bi n t e r f a c e , t h er e s i s t a n c eo fc y c l ew a s p r o d u c e du n d e rt h ec o n t r o lo ft h i sc i r c u i t d e s i g n e de c gc o l l e c t i n gm o d e si n c l u d i n ga p r ea m p l i f i e r , s e c o n d o r d e rb u t t e r w o r t hl o w - p a s sf i l t e r , h i g h - p a s sf i l t e r , a n d5 0 h z d o u b l e - tt r a pc i r c u i t t h es o f t w a r eo f u pm a c h i n ei sb a s e do nt h ev i r t i 】a ld e v i c es e t , w a r el a b v i e wf r o m n a t i o n a li n s t r u m e n ti n c c o l l e c t e de c gn e e d e dt ob ep r e t r e a t e db yd i g i t a lf i l t e r i n g h e r et w ok i n d so fp r e t r e a t m e n t sa n dt w ok i n d so fw a v er e c o g n i t i o na r i t h m e t i cw e r e a d o p t e d i nr e a l - t i m ec o l l e c t i n gp h a s eo fe c gd a t a , i i rf i l t e ra n da l t e r a b l ed i f f e r e n t i a l t h r e s h o l dm e t h o dw i t l ls i m p l ea r i t h m e t i ca n dg o o dr e a l t i m ep e r f o r m a n c ew e r ea d o p t e d i no f f - l i n e a n a l y s i s ，w a v e l e tt r a n s f o r mm e t h o dw a su s e df o rt h ep r e t r e a n n e n to f w a v e f o r ma n dr e c o g n i t i o no ff e a t u r ep o i n t s i m u l a t i n gr e s u l ta n dp r a c t i c a ld e t e c t i o n s h o w e dt h a tt h i sa r i t h m e t i cw a so fg o o df i l t e re f f e c ta n dr e c o g n i z i n gc a p a b i l i t yo f u 重庆大学硕士学位论文英文摘要 f e a t u r ep o i n t s t h i st h e s i sd e s c r i b e sh o wt oi m p l e m e n tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fah e a r t f u n c t i o n sd e t e c t i o ne x p e r i m e n ts y s t e m t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw o r k sw e l li nt h e c o l l e c t i o no f e c g s i g n a lg e n e r a t e db yg e n e r a t o r k e y w o r d s ：h e a r tf u n c t i o n , e l e c t r o c a r d i o g r a m ，l a b v i e w , v i r t u a ld e v i c e t r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特另u d l ：i 以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：j 呈，j 、光 签字日期：? 一矿7 年多月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：墨小光 签字日期：夕卯7 年多月9 日 导师签名：撕 签字日期：j _ s p7 年月，7 日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 冠心病是一种常见的心血管疾病，它严重威胁着人类的健康和生命。如何及时 的诊断和发现冠心病并予以有效的治疗，是当今研究的一大课题。 冠脉造影是目前公认的诊断冠心病的“金标准”，但其准确性仍有一定的局限 性，而且是一种有创的诊断方法【l j 。随着人们对无创诊断重视程度的提高，逐渐探 索出一些敏感性和特异性较高的无创诊断方法。主要有心电图、负荷超声心动图、 s p e c t 、电子束c t 、磁共振血管成像等诊断冠心病的方法。无创性检查方法诊断 冠心病的现状见表1 1 【2 卜【6 1 。 表1 1 无创性检查方法诊断冠心病的现状( 以冠脉造影为标准) t a b l e l 1 a c t u a h t yo f d i a g n o s ec h db yt h em e t h o d & n o n ed a m a g e 普通运动心电动态心负荷超声s p e c t电子束c t磁共振血管 图试验电图 心动图成像 敏感性 6 8 3 3 一8 8 9 2 9 0 5 3 8 一8 3 5 7 特异性 7 7 6 2 8 3 6 8 4 9 2 8 9 一9 5 心电图是检测心肌缺血最常用的简易方法，可通过心脏负荷试验系统( 即通过 运动、药物、物理、心脏起搏等方法增加心脏负荷，使心肌耗氧量增加，以揭示 冠状动脉供血不足或潜在的心功能不全的各种临床诊断试验) 增加心脏负荷的方法 来诱发心肌缺血，并用心电图描记出这种缺血性改变，此即心电图负荷试验( e c g s t r e s st e s t ) ，这种心电图称为心脏负荷试验心电图，简称负荷试验心电图 7 1 。 运动负荷试验心电图，简称运动试验心电图，是负荷试验心电图的重要组成 部分，由于其简便、无创，对冠心病的诊断价值较高，已成为临床冠心病诊断和 疗效评价的重要辅助手段之一瞵】。运动试验心电图的结果判定多采用s t 段压低指 标，但其敏感性不高。近年来，很多学者探索出一种新的运动试验心电图诊断指 标最大s t h r 斜率【9 】。国外学者用冠脉造影结果与最大s t h r 斜率对比研究 证实，两者吻合率为9 8 3 。本研究表明最大s t h r 斜率的敏感性、特异性和准 确性均高于传统的s t 段标准和其他新的参考标准，可作为一项独立指标诊断冠心 病，并根据斜率值的大小，断定单支、双支或三支冠脉病变【l o 】。因此，本课题以 重庆大学硕士学位论文1 绪论 最大s t h r 斜率为理论依据，研究一种简便、实用，既可保持诊断过程的无创性， 其准确性、敏感性、特异性又可与冠脉造影相吻合的冠心病辅助诊断系统。 1 2 课题研究目的 目前，心功能检测与心电监护是两套分别独立的产品，致使医生使用起来复 杂、繁琐，并且医院的设备投资大，加重了医院和患者的经济负担。本课题的研 究目的在于： 设计一种适合现代医疗发展的冠心病辅助诊断系统，以提高诊断的准确 性。充分利用计算机分析能力强、存储空间大、便于网络传输和打印等资源，辅 助医生更好的进行诊断。 推进医疗器械产品的国产化进程，降低医院成本，在一定程度上减缓患者 的看病难问题。 本系统的创新点在于心功能检测系统与心电监护系统相结合，构成一台基于 软件的具有心电监护功能的虚拟心功能检测系统。与传统仪器相比，该系统在智 能化程度、处理能力、性能价格比和可操作性等方面均具有明显的优势。虚拟仪 器与传统仪器的比较如表1 2 。 表1 2 虚拟仪器与传统仪器比较 t a b l e l 2v i r t u a li n s t r u m o n tc o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a li n s t r u m e n t 虚拟仪器传统仪器 开发与维护费用降至最低开发与维护开销大 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 l o 年) 关键是软件 关键是硬件 价格低、可复用、可重配置性强 价格昂贵 用户定义仪器功能厂商定义仪器功能 开放、灵活，可与计算机技术同步发展封闭、固定 方便与网络及其它设备互联功能单一、互联有限的独立设备 1 3 课题主要研究内容 1 3 1 整体方案设计 本课题根据被检测信号的特点及控制要求，采用了上下位机控制结构，即计 算机( p c ) 作为主控制单元( 上位机) ，以单片机( m c u ) 构成的实时控制电路作为从动 执行单元( 下位机) 。主从式控制结构可以充分发挥各自的资源优势，既相互协调， 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 又能独立地完成各部分功能。主从式数控系统工作时，上位机应该能够可靠、畅 通地将经过处理的控制指令和参数发送到下位机，以保证下位机能够准确、及时 地工作。同时，上位机还应该能够收集下位机反馈的各种状态信号，进行诊断和 处理。由此可见，快速准确地实现上、下位机之间的数据通讯也是整个数控系统 可靠、有效工作的关键之一。系统原理图如图1 1 。 图l t l 系统原理图 f i g 1 1s y s t e mc h a r t 1 3 2 主要研究内容 由系统原理图可见，系统的主要研究内容包括： 踏车阻力控制电路设计：将传统的硬件控制改变为计算机软件控制，操作 者可方便的在p c 机界面进行操作； 信号采集电路设计：包括信号放大电路、滤波电路和a d 转换电路的设计。 由单片机完成信号的提取与控制； 计算机接口电路设计：系统采用u s b 接口； 下位机程序设计：下位机主要完成心电信号的采集及a d 转换、踏车控制、 接口通信等任务； 上位机数据处理与分析程序设计：波形识别及参数提取是信号分析的关 键，其准确性和可靠性决定着诊断的效果；p c 机主要完成心电信号预处理、识别 心电波形特征点、提取s t 段、分析心率、与下位机通信等工作。 1 4 论文结构与安排 本文内容安排如下： 第一章：介绍本文的研究目的和意义，阐述课题的整体设计方案及其主要研 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 究内容。 第二章：介绍心电图基础知识及心电图检测和运动负荷试验心电图的发展。 第三章：介绍硬件电路设计。 第四章：心电信号预处理，介绍了几种常用的数字滤波方法，详细研究了小 波滤波法，给出了在m a t l a b 中的仿真结果。 第五章：详细讨论了用于心电特征点识别的可变差分阈值法和小波变换法， 给出了在m a t l a b 中的仿真结果。 第六章：概述了虚拟仪器l a b v i e w 软件，介绍了本系统在基于l a b v i e w 软件 平台的编程过程及部分程序。 第七章：对全文进行总结，并指出本设计的不足之处及其改进方法。 4 重庆大学硕士学位论文 2 运动负荷试验心电图的溯源与发展 2 运动负荷试验心电图的溯源与发展 2 1 心电基础知识 2 1 1 心电图的形成【l l 】4 1 川 人体心电信号的产生是由于在心肌细胞一端的细胞膜受到一定程度的刺激( 或 阈刺激) 时，对钾、钠、氯、钙等离子的通透性发生改变，引起膜内外的阴阳离子 产生流动，使心肌细胞除极化和复极化，并在此过程中与尚处于静止状态的邻近 细胞膜构成一对电偶，此变化过程可用置于体表的一定电极检测出来。这即是体 表心电信号的产生机理。心电生理学资料表明，在每个心动周期中，由窦房结细 胞产生兴奋，依次传向心房和心室。在这个过程中，心激动传导系统细胞、心房 肌细胞和心室肌细胞按顺序产生兴奋，此生物电传递变化十分复杂，呈混沌态， 其有序结果通过周围组织传遍全身，使身体各部位出现有规律而各向异性的电变 化。因此，将引导电极放在肢体、躯体表面或体内( 包括心脏) 的任何不同的部 位，均可记录到在每一心动周期中这种规律性的电变化，这就是心电图 ( e l o c t r o c a r d i o g r a me c g ) 。它反映了心脏在兴奋的产生、传导和恢复过程中的电 变化，可作为心脏疾病诊断的依据。 2 1 2 常规心电图的波形组成用 心电图是在心脏有规律地收缩和舒张过程中，各部分心肌细胞产生的动作电 位综合而成的电信号由电极从体表或胸腔测得，经放大后显示或描记下来的波形。 心电图由一系列相同的波群构成，一个典型的心电图包括以下成分如图2 1 ： 图2 1 常规心电图的波形组成 f i g 2 1 g e n e r a le c gw a v e 5 重庆大学硕士学位论文2 运动负荷试验心电图的溯源与发展 p 波：p 波反映左右两心房的电激动过程，也叫心房除极波。其起点表示 窦房结开始激动，终点表示两心房激动结束。正常p 波具有以下特点： 方向：i 、i i 、a v f 、v 4 , - - v 6 各导联应直立向上，a v r 导联波形应倒置； 时程：p 波时程即波的宽度应小于0 1 1 秒； 电压：电压表示了p 波的振幅，对肢体导联应小于0 ，2 5 m v ，对心前导联应小 于0 2 0 m v 。 p r 间期：p r 问期是p 波起点至q r s 波起点的时间间隔，它表示激动从 窦房结发出，经结间传导束房室交界区心室肌兴奋，这个过程所需的时间。其正 常范围为0 1 2 - 4 ) 2 0 秒，儿章不超过0 1 9 秒。 q r s 综合波群：q r s 综合波群是心室的除极波，代表全部心室纤维兴奋。 第一个向下的波叫q 波，第一个向上的波叫r 波，在r 波后出现的倒置波称为s 波。 时程：正常成人为o 0 6 4 ) 1 0 秒，儿童为0 0 4 o 0 8 秒； 电压：q 波的深度小于同导联r 波的四分之一，时间小于o 0 4 秒。各导联的 r 波和s 波中，r v i 小于0 1 m v ，r a v l 小于1 1 m v ，r a v f 小于1 9 m v ，r v 5 小 于2 4 m v ，r a v r 小于0 4 m v ，r v 5 + s v l 小于3 ，9 m v ，r v l + s v 5 小于1 1 m v 。 总的来说，q r s 综合波的电压在三个加压肢体导联或三个肢体导联中，每一 个导联r + s 或q + s 电压之和若都小于o 5 m v ，三个加压肢体导联q r s 波总电压 之和( 负电压要按绝对值计算) 小于l ，5 m v ，均称为低电压。在胸前导联中，q r s 波群起点q o n 至r 波的顶点垂直线与基线交点时间，叫做室壁激动时间，正常成 人右心室壁激动时间小于或等于0 0 3 秒，儿童小于0 0 4 秒。婴儿由于左右心室厚 度相近似，所以r s v l 可大于1 ，并随年龄的增长比值变小，由于胸壁较薄，故 r v 5 + s v l 可超过4 0 m v 。 s t 段：s t 段为q r s 波群终点到t 波起点的一段等电位线，代表心室除极 完毕到复极开始的一段时间，其开始部位s t 交接点称为j 点。观察s t 段有无变 化要从，点后0 0 6 秒或0 0 8 秒为准。其正常电压值在肢体导联上升高小于0 1 0 m v ， 右侧胸导联升高小于o 3 0 m v ，左侧胸导联升高小于0 1 m v ，任何导联水平降低小 于0 0 5 m v 。 t 波：t 波为心室的复极波，方向常与r 波方向一致，部分导联可倒置； q ti 、日j 期：q t 间期为q r s 波群起点即q o n 点至t 波终点t o 盯点的时间， 它代表心室除、复极过程中总共所需要的时间，又称为心脏电收缩时间。该值随 心率快慢而变异，心率若在6 0 - 9 0 次分时，q t 间期约为0 3 6 - 0 4 3 秒。 u 波：位于t 波之后的小波，其产生机制尚不清楚。正常u 波极性常与t 波相同，以v 2 、v 3 、v 4 导联u 波较显著。 6 重庆大学硕士学位论文2 运动负荷试验心电图的溯源与发展 2 1 3 心电图指标在诊断心肌缺血中的意义 1 5 - 2 0 】 s t 段变化 s t 段水平型或下斜型压低是诊断冠心病最有价值的指标之一，目前仍为运动 试验阳性的主要标准，s t 段下移程度越重、出现越早、持续时间越长、阳性导联 数越多，则心肌缺血越重。运动中s t 段抬高往往是透壁性心肌缺血，反映严重的 冠脉病变。 q r s 波群的s 波变化 有研究表明c a g 正常者运动试验后无论其运动试验前室内传导情况如何，s 波间期均缩短。在室内传导正常的冠心病患者s 波间期运动试验后稍延长，但在 左前分支阻滞和完全性右束支阻滞的患者，s 波显著延长仅出现在左前降支病变的 患者，而不出现在右冠和回旋支病变者。 q r s 波振幅变化 运动试验同样引起冠心病患者q r s 波振幅的变化，v a n c a m p c n 等观察到冠心 病患者运动试验q r s 波振幅降低，且与冠脉病变支数正相关。 q r s 积分的诊断价值 文献报道以q r s 积分 夕 图3 5 拟合的差模电压输入输出关系 f i g 3 5i m p o r ta n de ! x p o l to f t h es i m u l a n td i f f e r e n c em o d ev o l t a g e 用最小二乘法拟合后的函数： y = 1 5 x - 7 0 3 7 6 3 9( 3 3 ) 差模放大倍数为4 - - 1 5 共模抑制比为：c m m r = 2 0 l o g l 0 ( - 妻) “7 。棚，满足系统要求。 滤波电路设计 滤波模块由截止频率为0 5 h z 的高通滤波器、1 0 0 h z 的低通滤波器和一个5 0 h z 陷波器组成。在生理信号的放大设计中，一般均采用有源滤波电路。较适合生理 信号特征的滤波器有巴特沃兹( b u t t c r w o r t h ) 滤波器、贝塞尔( b c s s e l ) 滤波器等。对于 注重频度有较好截止特性的场合，选用巴特沃兹滤波器；当注重相位的场合，则 选用贝塞尔滤波器为好【。由于心电信号采集不是很注重相位关系，因此选用巴 特沃兹滤波器。 为使电路具有较窄的过渡带，本课题采用压控电压源二阶低通滤波电路，电 路如图3 6 。 通带放大倍数4 = i + 二：d 卫 ( 3 4 ) 1 、 截止频率五= 丽1 ( 3 5 ) 令五= 1 0 0 h z ，代入式( 3 5 ) ，图3 6 中g = g = o 0 1 , u f ，r = 马= 1 5 0 k 】。 1 8 重庆大学硕士学位论文3 系统硬件电路设计 f f 陟 图3 6 低通滤波电路 f i g 3 6l o w - p a s sf i l t e rc i r c u i t 图3 7 为根据实测数据在m a t l a b 中绘制的输出幅值随频率的变化关系图。 压控电压胡i = 阶低遁谚敞器 图3 7 输出幅值随频率的变化 f i g 3 7v a r i e t yo f e x p o r tf o l l o w e df r e q u e n c y 由于心电信号微弱，需要多级放大，而多级直接耦合的直流放大器虽能满足 要求，但多级直接耦合的直流放大器容易引起基线飘移。此外，由于极化电压的 存在，心电信号采集的直流放大器更不能采用多级直接耦合。本课题采用压控电 压源二阶高通滤波电路，其电路图如图3 8 。 通带放大倍数d = 1 + r 蚂f ，2 - 1 9 ( 3 6 ) 重庆大学硕士学位论文 3 系统硬件电路设计 截止频率厶= 丽1 ( 3 7 ) 令厶= 0 5 h z ，代入式( 3 7 ) ，图3 8 中c 7 = c $ = 1 t f ，岛= r o = 3 2 0 k q 。 羽一m p 陟 图3 8 高通滤波电路 f i g 3 8 n i g h - p a f i l t e rc i r c u i t 心电信号中的干扰以交流5 0h z 干扰最为严重，工频干扰由尉围的仪器设备 及体内分布电容等引起，为了去除人体或测试系统中产生的工频5 0h z 干扰，需 用带阻滤波器加以抑制，带阻滤波器又称为陷波器。本课题采用有源双t 带阻滤 波电路，双t 网络中，两支路的r 、c 的对称程度决定陷波点的衰退能达到的最 低限度。只有保持电阻之间以及电容之间的严格对称关系，才能使对应于五的频 率的信号互相抵消，衰减到零。5 0h z 双t 陷波电路如图3 9 所示，其通带放大 倍数捌+ 鲁 ( 3 8 ) 中心频率石2 乏另1 蟊 ( 3 9 ) 通带截止频率 z = 石r 而一( 2 一彳) 石 ( 3 1 0 ) 五= 而+ ( 2 卅 石 ( 3 1 1 ) 阻带宽度 b w = 五- f , = 2 ( 2 一a ) l = 罢 ( 3 1 2 ) u 重庆大学硕士学位论文3 系统硬件电路设计 其中g = 互丽1 ( 3 1 3 ) q 越高，频率选择性越好。但是q 值越高，滤波器的性能不稳定，q 值过大 时，将在5 0 h z 附近丢失太多的信号，产生波形失真，对于包含5 0 h z 的信号是 不利的。 图3 9 中，置：= 焉，= 2 r = 6 2 4 k f l ，c 9 = c l 。= 三c 1 。= 5 1 0 0 p f 。 图3 95 0 h z 陷波电路 f i g 3 9 5 0 h zt r a pc i r c u i t 实验测得，上述参数的设置是合理的，图3 1 0 为根据实测数据在m a t l a b 中 绘制的5 0 h z 陷波器输出波形图。 图3 1 05 0 h z 陷波器输出波形图 f i g 3 1 0e x p o r tw a v e f o r mc h a r to f s o h zt r a p 2 l 重庆大学硕士学位论文3 系统硬件电路设计 3 2 单片机系统设计 单片机的开发应用包括硬件开发和软件开发设计两部分。首先要根据其实际 的应用情况进行硬件设计。硬件设计的主要任务是选择合适的芯片并设计硬件电 路，根据所设计的硬件电路制作电路板等。其次在完成硬件设计工作之后即可进 行软件开发设计。在完成汇编和编译工作之后，可分别利用硬件在线仿真器或模 拟调试软件对其目标程序进行运行调试，以发现错误并加以改正。当程序能够正 确运行时即可通过编程器将其机器码编程导入芯片中，最后将芯片插入电路板中 脱机试运行。如果试运行有问题，则应进一步检查硬件电路和程序，找出错误并 改正。如果试运行正常，则开发工作结束。p i c 芯片基本开发步骤框图如图3 1 l 。 t j 堕堕堕三 ，】 一 l翌竺竺! 兰! 竺兰 t 至亟蔓亟五 一( 雪 y n 图3 1 1p i c 芯片基本开发步骤 f i g 3 11 b a s i ce x p l o i t u r ep l o c 4 s c so f p i cc h i p 宝 重庆大学硕士学位论文3 系统硬件电路设计 3 2 1 单片机系统硬件设计 本系统下位机采用p l c l 6 f 8 7 7 a 单片机，它是微芯公司的中档产品。其硬件结 构如图3 1 2 。它采用1 4 位的r i s c 指令系统，在保持低价格的前提下，增加了a d 转换器、内部e 2 p r o m 存储器、比较输出、捕捉输入、p w m 输出仂口上简单的滤 波电路可以作为d a 输出) 、异步串行通信( u s a r t ) 接口电路、模拟电压比较器和 f l a s h 程序存储器等许多功能，可以方便地在线多次编程和调试，特别适用于学 习和在产品的开发阶段使用【3 i 】。 m ：w ，0 s t a ( 1 辩c c p l m w 3 “ r c 目j b * # s r c 掣r x 0 k r c 7 1 r , v 蚶r r 0 m p 0 p l r m p 3 m r 护$ p 7 目w 腼 1 撬| 嫖 月女”珊 图3 1 2p i c l 6 f 8 7 x 系列单片机硬件结构图 f i g 3 1 2 h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no f p i c l 6 f 8 7 x8 耐s i n g ! e c h i p 瓣| | 霾一 重庆大学硕士学位论文3 系统硬件电路设计 3 2 2 单片机系统软件设计 本系统单片机程序用c 语言实现，主要完成的功能有a d 转换、与p c 机通 讯和控制踏车。单片机应用系统在完成设计工作之后即可借助各种开发工具对其 进行运行调试。通常情况下，一次性成功几乎是不可能的，所以成功的单片机应 用系统与会适的单片机开发工具是分不开的。 m i e r o e h i p 公司在推出p i c 系列单片机产品的同时，也相继推出了一些适用于 p i c 系列单片机的硬件和软件开发工具。如p i c 通用编程器、p 1 c 在线仿真器i c e 、 p i c 在线调试器0 c d 调试器) 、m p a s m 宏汇编程序、p i c cm ec 语言编译器、c 1 7 和c 1 8 编译器以及m p s i m 仿真软件与m p l a b 集成开发环境( m p l a bd e ) 等。 单片机开发工具使用的是m i c r o c h i p 公司生产的m p l a bi c d 2 在线调试器， 其价格低廉、功能强大。除了可以进行在线调试，还可以将调试好的程序代码下 载到单片枫中，因而同时具有仿真器藕编程器的功能【3 2 1 。软件开发环境使用韵是 m p l a bi d e7 2 1 版本。要使用c 语言编程。则需安装p i c cc 编译器。p i c c 用于 p i c l 6 系列产品，由澳大利亚h i - t e c h 公司研制。图3 1 3 为单片机程序调试界面。 图3 1 3 单片机程序调试界面 f i 9 0 3 1 3p r o g r a md e b u g g i n gi n t e a f a c eo f s i n g l e e h i p 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 系统硬件电路设计 单片机系统主程序框图如图3 1 4 。 图3 1 4 单片机主程序框图 f i g 3 ，1 4 m a i np r o g r a m6 a m 单片机程序a d 转换部分源程序如下： v o i da d ci n i t o a d c s i = 0 ； a d c s 0 = i ； c h s 2 = 0 ； c h s l = 0 ； c h s 0 = 0 ； a d c o n i = 0 b 1 0 0 0 1 1 1 0 ； t r i s a o = i ； a d i f = 0 ； a d i e = i ； p e i e = 1 ： a d r e s l = 0 ； a d r e s h = 0 ； a d o n = i ； ) 重庆大学硕士学位论文3 系统硬件电路设计 m a i n 0 t r i s d - = 0 ； p o r t d = 0 ； t r i s c = 0 x 4 0 ； a d e _ i n i t 0 ； g i e = 1 ： w h i l 1 ) a d g o = i ； 姗i = o ；i + + ) ， ) 3 3 u s b 接口设计 系统采用u s b l 0 0 接口芯片，使用时不必为其编写驱动程序。u s b 芯片的数 据通信速度最高为8 m b p s ，它是完全集成化的u s b 接口模块，完全满足u s b l 1 标准。内部多达3 8 4 字节的发送缓冲区和1 2 8 字节的接收缓冲区，满足高速通信 与单片机接口的需要1 3 3 1 。 u s b l 0 0 芯片提供两种p c 机应用程序编程：虚拟串口方式和动态链接库方式。 1 ) 虚拟串口方式下，用户在p c 机上安装u s b 芯片专用虚拟串口驱动程序之 后，u s b 芯片即可作为p c 机上的一个标准设备，可以按照与操作串口完全一样的 方法来编程。本系统采用此种方式。 2 ) 在动态链接库方式下，用户要在p c 机上安装u s b 专用动态链接库，安装 之后，u s b 芯片即成为p c 机的个标准外设，编程时调用a p i 函数发送和接收 数据。 u s b l o o 管脚说明如表3 3 。 重庆大学硕士学位论文3 系统硬件电路设计 表3 3u s b l 0 0 管脚说明 t a b l e 3 ，3 p i n se x p l a i n 管必 名称鬟塑 管舅功姥说孵 p m l 一 醴t 睇 m凇 弛i ov c co u t5 v 赣离鼹鬣维外簖m c u 仕i h ，屠 4 0 0 m a p m n璐b v c c 烈 u s b 接u 触电矩瓣 争m 1 2 d +l o u s b 数戥线 p m l 3 阻i 心 u s b 熬氟线 p m l 4撇逮照蛙 p t a l 5翩d陬 键糯翘 p m l 6 n c 弛1 7r 辖0 u t 蕊袤小揍块堙白致扼雅融：l 氇震爿i 攘块蚤嘏输出，“t 班渡数据 ，皿l ld 正 o 盯 赫表；垓坡段琏缓冲辟( 二疆：氍表率发送缓神摹冉尘町以趁莲敲鼯 尹虹1 9豫 蹦 鹄氏故意仃意境 豹数精馕存 内郫缓冲扭 p 垃2 0 r dp , i 兜馋内嚣接黢缓冲阻雏据墟过凡蝣片缸嚣缝霞如 p m 2 1 d 7f o 硬癣数i l l 毛箍 p m 2 2 d 6f o 取艇数掀总线 ，田2 ，d 豌硒觳稚嚣线 a n 2 4d m般鲥鼓振b 缝 p m 2 5d 3 搿如簸攥毫绒 p m 2 6 d 2 箴辫数掭嚣箍 p l 皿7d l 硬鹣数橼缸线 嫩8 d ok o 飘辩数据咎线 u s b l 0 0 模块与单片机的典型连接图如图3 1 5 。单片机的八位端口与u s b l 0 0 模块的八位总线连接，单片杌的四个i d o 口与u s b l 0 0 的w r 、r d 、t x e 、r x f 连接，由单片机进行控制。 重庆大学硕士学位论文 3 系统硬件电路设计 图3 1 5u s b l 0 0 模块与单片机连接图 f i g 3 1 5 u s b l 0 0w i t hs i n g i e c h i pc o n n e c t i o nc h a r t u s b l 0 0 收发数据的时序图如图3 1 6 。 t k t 簟 啊 d t 7 _ _ 一t i i - _ - _ - - - t t 一 t 卜一 扎 2 8 重庆大学硕士学位论文 3 系统硬件电路设计 t ，_ 一- t 4 _ - 一 一一c 二三三二 一 b 图3 1 6u s b l 0 0 收发数据的时序图( a 为发送数据时序图，b 为接收数据时序图) f i g 3 1 6 t i m e o r d e r c h a r t o f u s b l 0 0s e n d i n g a n d r e c e i v i n g d a t a ( a i ss e n d i n g d a t a c h a r t , b i s r e c e i v i n gd a t ac h a r t ) 3 4 踏车控制电路设计 传统的心功能检测工具是按键式的踏车功量计，这种设备价格昂贵、功能单 一并且升级困难、维护维修费用高、不便与计算机连接使用。因此，笔者设计了 一种由计算机控制的、简便、开放、灵活，可与计算机技术同步发展的虚拟心功 能检测工具。 实验发现，要改变踏车阻力只需调节流经踏车的电流即可。踏车运动实验负 荷量分1 7 级，需7 档调节，因此，设计了一种8 通道的踏车控制电路，通道1 7 为阻力调节，通道8 控制踏车停止转动。控制信号由单片机发送，选用的芯片是 n t f 3 0 5 5 1 6 0 ”】，其封装图如图3 1 7 ，管脚图如图3 1 8 。 图3 1 7n t f 3 0 5 5 1 6 0 封装图 f i g 3 1 7 n t f 3 0 5 5 - 1 6 0e n c a p s u l a t i o n 踏车控制电路图如图3 1 9 。 图3 1 8n t f 3 0 5 5 1 6 0 管脚图 f i g 3 1 8n t f 3 0 5 5 - 1 6 0p i n s 重庆大学硕士学位论文3 系统硬件电路设计 图3 1 9 踏车控制电路图 f i g 3 1 9 t r e a d w h e e le o a t r o lc i r c u i t 实验表明，当电路中的电流达到7 0 m a 时，可感觉有明显的阻力施加在踏车 上，当电流达到3 0 0 m a 时，健康人已很难使踏车转动。实验最终选择7 0 m a 作为 踏车第一档的控制电流量。每增加一档电流增加3 0 m a ，第七档的控制电流量为 2 5 0 m a ，控制踏车停止转动的电流量为3 5 0 m a 。 图3 2 0 为实验系统硬件连接图。其中用到心电信号发生器、m p l a bi c d 2 在 线调试器、心电信号放大电路、数据采集卡以及p c 机。 重庆大学硕士学位论文 3 系统硬件电路设计 图3 2 0 系统硬件连接图 f i g 3 2 0 h a r d w a r ec , o n n c c t i o no f s y s t e m 3 5 本章小结 本章主要介绍了系统硬件电路设计和单片机软件设计，给出了部分硬件电路 图和软件流程图。硬件电路设计主要有： 心电放大电路设计：设计了一个单通道心电放大器，可将信号放大1 0 0 0 倍，频率限制在0 0 5 h z 1 0 0 h z 之间，并可有效抑制5 0 i - l z 工频干扰。 单片规及其外围电路设计：采用p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机作为下位机的控制芯 片，其自带的a d 转换器可满足该系统心电采集的要求。 u s b 接口电路设计：采用u s b l 0 0 通信模块，该模块使用方便，可完全满 足系统上、下位机间通讯的要求。 踏车控制电路设计：设计了一种8 通道的踏车控制电路，电路简单、功耗 低，可方便的为踏车施加阻力。 重庆大学硕士学位论文4 心电信号预处理 4 心电信号预处理 4 1 常用数字滤波方法 数字滤波主要集中在f i r 或f i r 滤波器设计、自适应滤波器设计和小波变换滤 波器设计方面。为了减少干扰，通常在硬件上采取合理的屏蔽和接地、提高电路 的共模抑制比，设置模拟滤波器，缩小导联线形成的环路区域，采用性能优良的 器件和浮地跟踪电路，光电隔离等措施。但是，仅仅依靠硬件滤波是不够的，要 达到很好的滤波效果，还需要使用数字滤波器。 数字滤波技术包括以下几种方法： l e v k o v 滤波法 1 9 8