毕业论文——基于USB的经络信号的检测系统与设计.doc

1、 摘 要 中医经络学说经过数千年的研究和发展，已经取得很大的成就，逐步得到了世界各国的广泛认同和接受。但是传统中医学的经络情况不够直观。由于电信号特征较明显、易于获得，又是与经络密切相关的神经、循环系统的明显特征之一，因此，针对经络系统的电信号动态 USB 传输和波形的显示的设计，应能更有利于发现特征而触及本质。 针对把微弱的经络信号转换为电信号，并且进行相应处理，使系统能够实时的反应经络图像的问题，基于 USB技术的经络数据采集系统的设计严格遵循 USB协议， 采用 TI公司生产的内核兼容 8051带有闪存的高性能芯片 C8051F320作为微控制器采集信号，该芯片自带的 17路速度为 20

2、0K的 10位 A/D转换器采集信号，同时该芯片还集成 USB2.0接口，方便的完成了系统的硬件电路设计。 本系统中单片机系统主要完成信号采集、数据通信和实现 USB 接口通信 ;微机完成数据接收、显示等功能。软件设计中采用 C51 语言编写数据采集程序和对 USB 接口芯片进行协议处理及数据交换的程序。上位机的数据处理程序应用 visual basic 语言编写。 关键词 : C8051f320；数据采集； USB(通用串行总线 )；驱动程序 Abstract Chinese meridian theory After several thousand years of research a

3、ndevelopment, has made great achievements in the world, gradually gained widespread recognition and acceptance.however, traditional Chinese medicine in the meridian not intuitive. The signal characteristics of a significant, accessible, and is closely related to thenerve Meridian, one of the obvious

4、 features of the circulatory system, therefore, themeridian system for transmission and dynamic signal waveform display design, should be able to find more features touch nature. Aiming at transforming the faint pulse signal to electricity signal And processing it and the system responding the real-

5、time pulse image, this Pulse Data Collecting System based on USB technique strictly follows USB2.0 protocol.Has adopt the core 8051 compatible high-performance chip C8051F320 with lightning exist to collect a signal as tiny controller that the TI company produces to examine , has been a chips turn t

6、o be that 10 place A/D converter of 200 K collect a signal from 17 road speed of belt , has owed a chip the fairly integrated USB2.0 interface at the same time , has accomplished systematic hardware wiring design conveniently. In this system,the microchip system focuses on sampling signals and data

7、communication, c8051f320 fulfils USB interfacing comunication,and the microcomputer completesdata acceptance,storagetodatabase,data processing,display and other functions.The software designs adopt assembly language, C51language to compile data sampling program andprograms on protocol processingand

8、data transfer conducted to USB interfacingchip. The data processing program for upper computer is compiled with visual basic language. Keywords :C8051f320； datasample； USB(UniversalSerialBus)； driverprogram 第 一 章 绪论 1.1中医 经络 的概述 中国医药学凝结着中华民族数千年的生命智慧，是世界传统医学的重要组成部分。中医临床效果显著，具有非凡的防病治病能力，但其基础理论和诊疗方法发展缓

9、慢，已经落在了现代科学的后面。经络学说是运行气血联系脏腑和全身各部的通道，是人体功能的调控系统经络学说即阐述人体经络的巡行分布生理功能病理变化及其与脏腑的相互关系的学说，是针灸学的基础，是中医的重要组成部分，贯穿在中医学生理、病理、诊断、针灸和药物治疗各个方面，对中医各科的临床实践有重要指导意义。由于传统中医学诊断 号脉和针灸本质上都是靠医生的感受来把握，缺乏客观严谨的研究手段和理论支持，得不到西方医学界的认同，加之传统中医技术很难掌握，所有这些都严重阻碍了中医学的发展和向世界推广的进程。本论文把先进的现代信息处理技术与传统中医理论相结合，进行人体经络电信息的动态传输特性研究， 从而较直观的得

10、出经络信号的波形和特点 。 1.2 本研究课题的意义及国内外发展现状 目前，国内外利用生物、化学、物理、电子信息技术对人体生态、病态、特别是重大流行性疾病的非介入性快速诊断技术与相关理论正在迅速发展：而各现代科技领域的发展，特别是微 电子测量、数据处理技术的迅速发展又为诊断技术的发展提供了强有力的工具。 另一方面，由于历史的原因和我国技术研究水平相对落后，目前中华医学的诊断手段，经络现象的发现和经络学术的形成发展主要依靠人的实践经验，缺乏科学、系统的实验论证。在临床工作中医生大多是凭借一些临床资料如患者症状、体征以及各种检查结果根据临床经验得出结论，但疾病的诊断存在大量的特例及反例，信息来源既

11、不完整又含有假象，且经常遇到不确定性信息，哪些资料的价值大应着重考虑，哪些只作次要考虑，各个医生的意见有时很不一致，这往往使决策相互矛盾或无理可循 。 而 对于经络信号的采集与显示，极大的方便了中医根据病人的经络信号进行病症的辅助判断。 同时用 USB进行数据传输，其传输速度保证了信号完整和及时的显示。 在这样的现实背景下， 用 USB经络电信息传输特性研究有其重大的实际意义：其发展前景必然是用现代信息处理技术对病人的经络电信息进行数据采集 。 1.3主要研究内容 本课题的主要内容有 : 1.掌握 经络 传感器的性能结构，对其进行优化使之适于后续系统。 2，分析 C0851F320的性能，掌握

12、其使用方法。 3.设计 经络 数据采集系统的硬件部分及软件部分。 4.对 经络 数据 采集系统进行调试。 第 2章 系统整体方案设计 在设计采 集系统之前，必须要对解决的问题进行调查研究和分析论证，在此基础上 ，根据实际应用中的问题提出具体的要求。另外，还要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格。 2.1系统的总体结构设计 基于 USB技术的经络数据采集系统用于完成数据的采集 传输与处理 。 共分三个部分设计 :采集电路部分、 USB 接口电路部分和上位机。 经络 数据采集系统不仅是一种医用辅助诊疗设备，同时也是以微型计算机为核心的应用电子 仪器，它的最终目的是面向市场和面向用户。因此在

13、系统设计、研发的各个阶段必须要考虑兼顾各方面应用的特点和技术要求，在系统设计的整个过程中始终要遵循以下几条原则 . 1. 安全性原则设计和制作要完全依据 GB9706.1-1995医用电气设备安全通用要求规定的内容进行，保证系统的电气性能安全。 2. 准确性原则人体的生物信号都是极其微弱的信号，非常容易受到人体静电和环境感应电的干扰，因此在设计、制作中要采取一切手段保证信号的不失真。 3. 可靠性原则必须保证能够长时间稳定的工作，性能可靠而不出故障。 4. 通用 性和可移植性原则要求通用性尽可能好，能灵活的进行功能扩充。尽可能采用通用的系统总线结构，以便在需要时进行扩充。 5. 先进性和可发展

14、性原则考虑到计算机技术的迅速发展，设计必须要 为以后系统的升级、改造留有手段，同时在技术上要做到适度超前。 2.1.1信号采集模块 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。单片机是整个信号采集模块的核心，主要完成根据计算机传送来的命令选择工作方式、系统初始化、单片机的工作控制 ，以及在主程序中完成对 AD采样器、 Flash存储器和接口的控制。 本系统的信号采集模块由 经络 传感器和 C8051F320芯片组成。 经络 传感器负责将人体的 经络 信号采集过来转换成电信号。单片机起到对 经络 传

15、感器传来的模拟信号进行放大、 A/D转换、预处理的作用，并且负责与上位 机进行通信 C8051F320内含有一个 10位的模数转换器 (ADC)。由模拟多路开关 (MUX)、可选择缓冲 (BUF)、可编程增益放大器 (PGA ).基准电压源。在硬件设计时，使用单片机内部的 A/D转换器、滤波器对信号进行放大、滤波等处理，大大简化了 单片机的外围电路。 2.1.2 A/D转换器的选择 A/D转换器是数据采集系统最重要的一环，它直接影响到数据采集系统的性能。 A/D)转换器速度的选择一般应根据所要求的任务而定。如果任务要求高速采集，则应采用高速 A/D转换器。 A/D转换器的转换精度也是选择 A/

16、D转换器的一个重要依据，在高精度的测量中，往往对分辨率的要求比较高 (16位以上 )。由于内部集成 ADC主要使用了数字技术，除具有数字系统的可靠性高、稳定性高等优点以外，还具有线性度好、抗干扰能力强、成本低廉等优点。 总之 ,在数据采集系统中 A/D转换器的 选择总是根据任务的需要而选择相应的器件，另外成本也是选择 AM转换器的一个重要的依据。本课题对于速度的要求就不是很高，而对于精度的要求也不是很高，综合各种条件我们选用的是集成了 10位模数转换器的微控制器 C8051F320。 2.2 USB接口模块 本设计的采集系统与上位机的连接可以有多种方式，之所以选择 USB(通用串行总线 )的方

17、式与 USB的速度快、易于扩展、使用灵活等突出特点是分不开的。 2.2.1几种串行总线的比较 2.2.1.1 RS-232C总线 RS-232C总线是美国电子工业协会 ETA(电子 的工业协会、制定的一种用于单点通信串行物理接口标准。 RS-232C总线标准设有 25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。 RS - 232C标准规定的数据传输率为每秒 50, 75, 100, 150,300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200波特。 RS一232C标准

18、规定，驱动器允许有 2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用正 150pF的通信电缆时，最 大通信距离为 15M;若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是 RS-232C属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于 20M以内的通信。 2.2.1.2 IEEE-P1394总线 IEEE-P1394是高性能的串行总线。它的应用范围主要是那些带宽要求超过 100Mb/S的硬盘和视频外设。利用同样的四条信号线， IEEE1394可以同步传输，也可以支持异步传输。这四根信号线分为差模时钟信号线对和差模数据线对。 IEEE 1394规范得到

19、了很好的定义，而且基于 IEEE规范 的产品也在市场上出现了，目前 IEEE 1394解决方案的价位被认为可以同 SCSI磁盘接口相竞争，但它不适用于一般的桌面连接。 2.2.1.3 RS-485总线 在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用 RS-485串行总线标准。 RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至 200mv的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。 RS-485用于多点互连时非常 方便，可以省掉许多信号线。应用 RS

20、-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联 32台驱动器和 32台接收器。 2.2.1.4 USB总线 USB即通用串行总线，可以实现热插拔，采用菊花链结构，最多可以同时连接 127台设备，由总线提供电源，并有检错、纠错功能以保证数据正确传输。主要用于中速和低速的外设。 USB是通过 PCI总线和 PC的内部系统数据线连接，实现数据的传输。 2.2.2 USB接口模块的设计 本设计的采集系统与上位机的连接可以有多种方式，之所以选择 USB(通用串行总线 )的方式与 USB的速度快、 易于扩展、使用灵活等突出特点是分不开的。 USB总线即通用串行总线，可以实现热插拔，采用菊花链结构，最多可以

21、同时连接 127台设备，由总线提供电源，并有检错、纠错功能以保证数据正确传输。主要用于中速和低速的外设。 USB是通过 PCI总线和 PC的内部系统数据线连接，实现数据的传输。同时， USB又是一种通信协议，支持系统和 USB的外围设备之间的数据传输 。 为了使数据采集系统能够向 PC机传送数据，我们需要设计数据采集系统与 PC机的接口模块。利用 USB(通用串行总线 )，可为计算机和外设间的数据通信提供一个很好的解决方案。 它不但解决了传统方法各设备之间的资源冲突和速度限制等问题，而且易于实现低成本、高可靠性的数据采集。目前， 586以上的 PC机大多数都具有 USB接口，操作系统软件也全面

22、支持 USB设备。 USB协议的复杂性意味着 USB外设必须具有智能。控制器芯片必须知道如何检测并对USB端口的事件做出反应，它必须为设备提供存储要发送的数据和获得己经接收到的数据的一种方法。控制器芯片在进行 USB通信时所需要的支持是不同的。一些芯片只需要访问一系列寄存器以存储和恢复 USB数据。其他的芯片要求设备程序代码做更多的工作，包括管理描述符的 重新获得、设定数据切换值和保证正确的交换包被发送等。一些控制器芯片上有通用功能的 CPU，而其他的控制器芯片则采取最简单的方法和接口与一个外部 CPU连接，按需要处理与 USB控制器之间的非 USB任务和通信。因此，微控制器和 USB接口的选

23、择有二种方式 :带 US接口的单片机和通用 USB收发器两种。 2.3软件设计方案 一个硬件系统完成后，都需要配套软件对硬件进行全面的支持。一般情况下数据采集系统软件包括两部分 :驱动软件和应用软件。驱动软件是直接对数据采集硬件系统进行设计的软件层，它通常是通过计算机的标准总线或接口 ，由 I/O指令完成计算机与数据采集模块的信息交换，管理系统的操作以及和计算机资源的组合，比如 CPU中断、 DMA传送等。驱动软件在保持高性能、提供给用户易于理解的同时，隐藏了复杂、详细的硬件及程序设计。应用软件增加了分析和显示的功能，所设计的人机界面，可以通过键盘或鼠标来设置数据采集系统参数。一个好的软件提供

24、给用户的操作必然是简便的、直观的和移动的。对于给予计算机的数据采集系统来说，用户操作界面的友好性、易操作性在很大程度上决定了该软件的成功与否。 本系统软件设计的程序包括设备固件、 USB设备驱动程序和应用程 序。其中的单片机控制程序采用 C51语言编写，根据实际需要，系统需要完成的任务有 :通过串行通信，接受上位机发送来的控制命令，进行数据采集并存入 Flash存储器，在通过串行通信发送给上位机。当单片机加电或复位后，首先进入执行主程序。主程序首先完成设定单片机的工作状态，设定程序的初始状态。主程序是一个死循环的程序，程序完成设定状态后就开始不停的循环等待来自主计算机发出的控制命令。一旦接收缓

25、冲器 SBUF中收到命令之后，接收终端标志 RI被置 1，就进入接收中断服务程序，对命令进行判别，并调用相应的功能子程序进行处理。主 要有下列子程序组成 :初始化程序、中断命令处理子程序、 A/D。转换子程序、串行发送子程序、软件复位子程序。 经络 数据采集系统作为一个计算机应用系统的一部分，是智能接口的下位机，上位机是中心主机，两者之间通过USB接口交换信息。下位机完成 经络 数据的采集、存储、发送等功能，上位机完成对 经络 数据采集的控制、数据的 存储、处理，并根据不同的需要作相应的分析，显示输出分析的结果作为医生诊断或医学研究的依据。 2.4本章小结 经络 数据采集系统的设计将实现对人体

26、的 经络 信号进行采集检测。本章中对于系统的设计思想方法及实现方案 做了概括性的介绍，给出了各芯片选择的依据。根据实际需要，选择的方案如下 : 1. 考虑到采集系统的 功耗 ，选择了使用 USB接口通信的数据采集系统，并采用 外部电源 进行供电 ; 2. 微控制器选择带有 10位 A/D和 USB接口芯片 的 选 C8051F320单片机。 第 3章硬件分析与设计 3.1 系统概述 3.1.1 经 络 导联 为了记录 经络 ，将探测电极安置于体表相隔一定距离的两点，此两点即构成一个导联，两点的连线代表连轴，具有方向性。临床常用的导联方式有肢体导联和胸前导联，肢体导联又有标准导联和加压单极肢体导

27、联之分。 临床中广泛应用的是标准十二导联系统，分别记为、三个标准导联， aVR、aVL、 aVF 三个加压导联以及 V1-V6 六个胸极导联。其中、主要是反应左手、右手以及左腿任两电极间的电压差，无探查电极和无关电极之分，是双极导联。双极导联就是拾取两个测试点的电位差。 aVR-V6 是单极导联，就是拾取某一 点相对参考的电位。由一个无关电极和探查电极所组成，其 P 波明显，利于诊断心律失常（ V1）和左前壁心肌缺血（ V5、 V6）。标准导联的特点广泛地反映了心脏的大概情况，如：后壁心肌梗塞、心律失常等，往往、导联可以记录到清晰的波形。 3.1.2经络 信号的特点及对放大电路的要求 经络 信

28、号的特点：信号十分微弱，常见的 经络 频率一般在 0.05 100Hz之间，能量主要集中在 17Hz附近，幅度小于 5mV， 经络 电极阻抗较大，一般在几百千欧以上。在检测生物电信号的同时存在强大的干扰，主要有电极移动引起基线漂移 (一般小于 1Hz)，电源工频干扰 (50Hz)，肌电干扰 (几百 Hz以上 )。电源工频干扰主要是以共模形式存在，幅值可达几 V甚至几十 V，所以 经络 放大器必须具有很高的共模抑制比 (80dB以上 )。电极移动引起基线漂移是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达 300mV，因此， 经络 放大器的前级增益不能过大。由于信号源内阻可达几

29、十 K、乃至所以， 经络 放大器的输入阻抗必须在几 M以上。同时在有源低通滤波器中要求能够有效地滤除与 经络 信号无关的高频信号，最后在设计要求对某一频段的信号能够抑制或衰减。通过系统调试，最后 得到放大、无噪声干扰的 经络 信号。 3.2 总体 电路框图 本电路设计主要是由五部分构成。 第一是前置放大电路。 这一级增益选 100 250倍 左右。 第二是抑制共模信号电路。我采用了右腿驱动电路，它不仅可以消除其中的共模电压，还能提高共模抑制比，使信号输出的质量得到提高。 第三是低通滤波电路。 经络 频率一般在 0.05-100Hz 之间，能量主要集中在 17Hz附近，幅度为 0 5mV，所以要

30、对 0.05-100Hz 以内的信号进行保护，把这个频率带以外信号全部滤除。 第四是工频 50Hz的带阻滤波电路。本设计主要是采用 了双 T 带阻滤波电路，它能够对某一频段的信号进行滤除。对于电源工频产生的 50Hz 的噪声，用它能有效选择而对噪声进行滤除。 第五是后级放大电路。 经络 信号需要放大上千倍才能观测到，前置放大器增益只有100 250 左右，在这一级还需要放大 4 10倍左右。 3.3 具体单元电路设计 3.3.1 前置放大电路的设计 ： 根据 经络 信号的特点，前置级应该满足下述要求： 1) 高输入阻抗。被提取的 经络 信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响

31、，必须提高放大器输入阻抗。一般情况下，信号源的内阻为 100k，则放大器 的输入阻抗应大于 1M。 2) 高共模抑制比 CMRR。人体所携带的工频干扰以及所测量的参数以外的生理作用的干扰，一般为共模干扰，前置级须采用 CMRR 高的差动放大形式，能减少共模干扰向差模干扰转化。 3) 低噪声、低漂移。主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定。 3.3.2 放大方案的选择 3.3.2.1 方案（一）：三运放仪用放大电路 如图 3 所示的同相并联三运放结构，这种结构可以较好地满足上面三条要求。 A1、A2构成放大器的第 I级，主要用来提高整个放大电 路的输入阻抗。第 II 级

32、采用差动电路用以提高共模抑制比。将 A3、 A4 两个同相输入运放电路并联，再与 A5 差分输入串联的三运放差分放大电路。根据虚短、虚断的概念，不难分析 A3、 A4 前置放大电路仅对差模信号有放大作用，差模放大倍数为 （ R3+2R1） / R3 倍。这样的电路有以下几个优点： A3、 A4 提高了差模信号与共模信号之比，即提高了信噪比，因差模信号按差模增益比放大，远高于共模成分（噪声）； 决定增益的电阻（ R1、 R2、 R3）对共模抑制比 CMRR 没有影响，因此电阻的容差不重要 ， R1、 R4 的失配仅使两输出端之间的差模增益失配，与 CMRR 相比，这一点并不重要。 电路的另一个特

33、点是对共模输入信号没有放大作用，共模电压增益接近于零。这个因素不仅与实际的共模输入有关，而且也与 A3 和 A4 的失配电压和漂移有关。如果 A3和 A4 有相等的漂移速率，且向同一方向漂移，那么漂移就作为共模信号出现，没有被放大，还能被第二级抑制。这样对于 A3和 A4 的漂移要求就会降低。 A3 和 A4前置放大级的差模增益要做得尽可能高，相比之下，第二级（ A5）的漂移和共模误差就可以忽略，对放大器的要求就可以大大降低。当 R4= R5， R6=R7+RP 时，两级的总增益为两个差模增益的乘积，即： Avd=(（ R3+2R1） /R3)(R6/R4) 由此可知，上述电路具有输入阻抗高，共模抑制比高等优点，可作为通用仪用放大器使用。