基于-ad原理的心电数据采集系统

基于-ad原理的心电数据采集系统

1新型同步心电图采集系统设计一个设计为12通道的高标准差动器，并通过同步检测和分析12个导致电阻动听器，以适应国际心动听电气的发展方向。这种新的检测方法是：。该方法可降低目前存在的心电图测量的变异性,提高各种测量、分析计算的准确性。从硬件和软件两个方面介绍了一种以微机为上位机的12导同步心电图采集系统,基于∑-ΔA/D原理的芯片MAX1401的应用提高了系统的性能,降低了成本,并且使系统小型化;采用VtoolsD开发VxD,降低了开发难度,提高了可靠性,ActivX控件中的数据差错校验也保证了数据传输的可靠性。2心电数据采集系统a/d转换MAX1401芯片功能强大,通过单片IC实现整个数据采集系统的功能,可以直接处理心电传感器(导联)输出的微弱信号,简化了系统设计,提高了系统的性能,可以实现心电检测分析仪小型化,并且也降低了成本。它的A/D转换功能是基于∑-Δ原理,可以获得极高的分辨率。另外,心电信号采集系统必须采用浮地的形式,实现人体与电气上的隔离,MAX1401是三线串行输出,相对于并行输出的A/D器件需要隔离的信号线少许多。12导联的心电数据采集系统至少需要同步采集8导联的信号(其余4个导联由Einthoven公式通过软件计算推导出来),因此本系统需要2片MAX1401。数据采集电路通过微机EPP并行口与微机通讯,采用2片89C51单片机控制MAX1401及其与微机的通讯,FIFO(First-In,First-Out)存储器缓存,提高了转换速率。总体电路框图如图1所示。2.1增量调制siga-传统传统的A/D转换器(积分型,逐次逼近型)分辨率不易做的很高,且系统相对复杂。新兴的∑-ΔA/D转换技术能够以较低的成本获得极高的分辨率。∑-ΔA/D转换器内部有一个增量调制器,常规A/D转换器由于采用PCM调制(即根据抽样幅值的大小,用一串二进制数去表征),忽略了抽样值之间的相关性。而增量调制把时间轴按照抽样间隔Δt分成相应的小段,并将纵轴分成许多相等的电压间隔Δ,用阶梯信号x1(t)来逼近输入模拟信号x(t),如图2所示。由于x(t)为连续信号,只要Δt足够小,就可能将x(t)与x1(t)的差值限制在Δ范围内。因此若把Δ作为量化台阶,则可以用一位码来表征x1(t),即它升高一个Δ用1编码,降低一个Δ用0编码,为了使得x1(t)逼近x(t),采样的频率必须非常高,这种采样频率远远高于Nyquist的采样称为“过采样”。为了改进增量调制的高频性能,通常将输入信号x(t)积分后再进行增量调制,也就是所谓的“总和增量调制器”(Sigma-deltaModulator)。∑-Δ调制器对量化噪声进行了“成型滤波”,对信号表现为低通滤波,对噪声表现为高通滤波,将A/D转换器中的量化噪声转移到低频带以外,而后再通过数字低通抽取滤波器滤除高频段的噪声,提高了信噪比,同时数字低通抽取滤波器还将输出的低比特率的高速码流转换为低速的高分辨率码流。2.2特征分区的全差分模式x-1MAX1401的内部功能如图3所示。前端为一个多路复用器,用来切换采样的通道;输入缓冲器用来隔离信号源内阻和后级电路输入阻抗;程控增益放大器(PGA)将低电平输入信号放大到适合A/D转换的水平,依据所要求的输入分辨率,每个通道能够独立的设定放大倍数(1～128倍);三个独立的DAC校正三路输入信号中的直流成分,使输入信号落在ADC的量程以内,扩大输入信号的有效范围。由多路开关选出的输入信号经缓冲(BUFFER)、放大(PGA)后送入∑-Δ调制器,进行“过采样”,将各样本转化为1bit分辨率的高速码流。同时对量化噪声频谱作“成形”处理,使大部分量化噪声转移至基带以外。接下来,由数字抽取滤波器滤除带外噪声,从高速码流中抽取出低速高分辨率码流。时钟产生电路及分频电路为ADC提供操作时钟,内部8个可单独寻址的寄存器可以通过串行接口(SPI)接收控制命令,设置各部分电路的工作状态及参数,并将转换结果通过串行接口送出。MAX1401工作于全差分模式下时,AIN1/AIN2、AIN3/AIN4、AIN5/AIN6提供了3个差分输入通道,另外两个偏移校正通道CALOFF+/CALOFF-和两个增益校正通道CALGAIN+/CALGAIN-,也可以作为差分输入通道,可用两片MAX1401完成8个通道的数据采集,AINA+、AINA-、AINB+、AINB-、AINC+、AINC-、BRC1、BRC2、BRC3、BRC4、BRC5、BRC6和BRLAC为经过功能选择开关和导联缓冲电路后从人体引入的心电信号,经过MAX1401内部的多路复用器选择一路信号从MUX1+,MUX1-或MUX2+,MUX2-输出,再经过外部的放大电路形成单端的信号从AIN1+或AIN1-输入到MAX1401内,经过PGA放大和AD转换后从DOUT串行输出。+5V的浮地电源经过HT1030三端稳压后输出+3V的电源给MAX1401供电,经过LM317后输出+1.25V的电压作为MAX1401的参考端(REFIN+)电压,REFIN-端接地。2.3数据地址选择十二导心电数据采集系统需要保证有30KB/s的采样速率,数据量较大,若采用中断的方式通知微机读取每个转换的数据将大大增加系统的负担,难以保证实时传输、显示和处理,因此需添加一个外存储器用来暂存采集的数据。EPP协议提供了两个端口:数据端口和地址端口,在采用硬件握手的情况下,如果只对数据端口进行连续的数据读写,它的数据传输速率是很高的(一个读周期可达级),但是如果用普通的存储器(EPROM)进行读数据时需要进行地址选择,这样端口的切换必然影响EPP的数据传输速率,另外受到并行口八位地址线的限制,若要扩展地址空间,势必增加软件和硬件电路的复杂性。因此系统选用了FIFO存储器来缓存数据,这类存储器内部采用硬件完成读、写环行指针的移动,因此可以实现EPP协议下对于单数据地址的连续读写,另外采用FIFO,可以很方便地改变外设的数据传输速率,而不影响数据的高速传输。系统选用的FIFO存储器是IDT7202。它具有1K×9位的存储容量,可以进行异步和并发的读写操作;提供了半满、全满和全空的标志引脚,可以防止读写数据的溢出或不足;同时它还提供了扩展逻辑电路,在字节的宽度和深度方面可以进行无限制的级联;由于数据字节是9位宽,可以将第九位作为控制和奇偶校验位。2.4时带片的a/d转换数据的读取需要单片机实现的功能较简单,系统选用性价比比较高的89C51。若一块单片机控制两片MAX1401同时工作,两片MAX1401的数据可能不能及时读取,通道来不及切换,造成数据差错,若让两片MAX1401分别轮流工作,虽然可以保证数据及时读取,却降低了每个通道的数据转换输出的速率。因此用两块89C51来分别控制两片MAX1401,系统工作于同步十二导联采样模式时可以让两块MAX1401同时工作,分别和单片机通讯,提高了每个通道的转换速率。两片89C51的P0口和IDT7202的数据输入口相连接,用于将接收到的由MAX1401采集转换的数据并行写入FIFO,另外单片机通过光隔离电路控制MAX1401及系统的功能选择信号。单片机的P2.1口和并行口的中断通知信号ACK¯¯¯ACΚ¯相连,当单片机采集到一定数量的心电数据时通过ACK¯¯¯ACΚ¯引脚信号通知计算机从FIFO连续读取数据。单片机的P1口和EPP协议并行口的双向数据总线相连同计算机通讯,用于接收计算机通过并行口传来的控制命令信号。两块单片机的P3.7分别和另一单片机的中断引脚INT1¯¯¯¯¯¯¯¯¯ΙΝΤ1¯相连,在工作于十二导模式时用来同步两块单片机的数据采集过程。系统工作于同步十二导联模式(一共有8个通道)时,两片单片机同时控制两片MAX1401完成A/D转换数据的读取和采样通道的选择。由于只有一个FIFO缓存数据,为了避免两片单片机在读取A/D转换的数据后同时对FIFO进行写数据操作,需要同步两片单片机的工作。为此,系统中引入两个同步标志位,任何时刻,两片单片机都只能分别占用FIFO的写数据总线进行数据写入,不会冲突,同时也保证了8个通道采样的顺序进行。3epp并行口驱动软件核心包括一个虚拟设备驱动程序(VxD)和一个ActiveX控件,前者实现EPP并行口的中断驱动,后者实现对硬件驱动的调用及对采样进程的控制。3.1并行端口控制指标当缓冲器中存储了一定的数据时,以中断方式通知微机读取缓冲器中的数据,这需要编写专门的硬件驱动程序来实现。VtoolsD提供了VxD代码生成器QuickVxD,类似于VC++的ClassWizard,利用VtoolsD封装的C++类库来快速创建VxD程序代码框架,或利用其提供的C运行库,可以绕过DDK(DeviceDeveloperKit)用C或C++来编制驱动程序,大大地降低了开发的难度,提高了可靠性。ActiveX控件通过调用API函数DeviceIoControl,由VMM(VirtualMachineManger)向并行端口驱动程序VxD发送W32_DeviceIoControl消息,VxD的消息处理函数OnWin32DeviceIoControl响应该消息,包括对并行端口寄存器的读、写控制消息,打开和关闭并行端口中断的消息(EPP控制寄存器37AH的第四位为中断使能控制位),读取内存中心电数据的消息,控制心电检测系统的参数消息(包括了采样通道数和每次中断接收的数据长度)和WIN32程序采样线程传来的事件句柄消息,这些消息均需要在驱动程序和WIN32程序中预先定义。当心电检测系统采集一定数量的数据时由单片机给EPP并行口送一个中断脉冲信号,在Windows系统下该中断通知由VPICD(虚拟可编程中断控制器)接收。VPICD收到中断以后可以通知EPP的VxD中重载的中断处理函数处理中断,VtoolsD提供了VhardwareInt类来实现对IRQ端口的虚拟化,并处理该端口上的硬件中断,在硬件中断处理函数中通过对EPP数据端口(37CH)连续的读操作,将IDT7202中的心电数据读出,并存储于VxD的内存中,同时通过VWIN32_SetWin32Event事件服务通知WIN32采样控制程序读取这些数据。在数据采集ActiveX控件(WIN32程序,Ring3级)中有一个专门的采样线程等待该事件,需要调用Windows一个未公开的API函数OpenVxDHandle将应用级的事件句柄转换为Ring0级的事件句柄,再传给VxD使用,在该事件触发时,通过API函数DeviceIoControl传递PPSAM_READ_DATA消息,读取存在于VxD内存空间中的数据,在读取一定量的数据时,将数据存储到位于硬盘上的文件(文件头信息,及文件扩展名标识了不同的数据类型)。3.2接收数据端错误校验数据差错校验在ActiveX控件中完成。从IDT7202中读出的数据是双字节,包括12位的数据和4位的通道标识,存储器和并行口均为8位并行数据总线,先高字节,后低字节读出每个数据,数据通过并行口电缆传输时由于受到分布电容等一些分布参数的影响可能造成数据出错,IDT7202的R¯¯¯R¯脚也可能由于受到尖峰脉冲干扰而使得读出的数据不对,导致高低字节顺序发生变化或多读,因而在接收数据端需要加入