脉象信号数据采集系统中的前期调理电路
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摘要
脉诊在中医占很重要的地位,通过脉诊可以了解患者脏腑气血的盛衰,可以探测病因、病位、预测疗效等。传统的脉搏测量采用脉诊方式,中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成效的应用,但是受人为的影响因素较大,测量精度不高。现在计算机已使得中医诊脉技术上了—个台阶,计算机可通过将传感器收集的脉搏信号数据采用波型迭加的办法,处理、分析并判断出脉象与波型信号间的对应关系,以根据波型对疾病予以诊断治疗,这在一定程度推广了中医诊脉治疗技术。
本论文本着低功耗的原则,设计了一套数据采集的基本电路。采集6路信号时,采用了单个通道循环采集的方法,即6路脉象信号共用一路放大、滤波和A/D转换电路,用模拟通道选择开关MC14512B来对脉象信号进行选择,同时利用单片机来控制这个选择开关,实现对6路脉象信号的循环采集。
前置放大电路选用四CMOS低功耗运算放大器CF7641,为了防止前置放大器工作于饱和区或截止区,选择增益为10。为了将传感器提取的mV级的信号放大到V级,需要再设计一个主放大器,本论文选用的是精密仪器放大器AD624,它的显著的低噪声,高增益精度,低增益温度系数和高线性度使得AD624在高要求的数据采集系统中成为理想的首选,我们把该部分放大器的增益设置为100,输出约5V的电压信号,可以直接输入到A/D转换部分。滤波电路选择二阶巴特沃斯滤波器,因为本设计中要求低频信号不被衰减,而对高频要求不高,二阶巴特沃斯滤波器能很好的达到预期的要求。工频干扰是脉搏信号的主要干扰,虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用,但有部分工频干扰是以差模信号方式进入电路的,所以必须专门滤除。我们选用了BB(Burr2Brown)公司的UAF42通用有源滤波器设置成的双T阻容有源陷波器,对50Hz工频干扰进行了滤除,UAF42内部集成了一个反向放大器和两个积分器,有效的克服了陷波器设计中最困难的得到严格容差、低损耗、匹配的电容的问题。
A/D转换直接采用C8051F005中的12位精度的逐次逼近式A/D转换器,它的转换速率可达到100ksps,可以不失真的还原出六路脉象信号,A/D转换和控制均可以由其来完成。C8051F005包含32k+128字节的FLASH,该存储器以512字节为一个扇区,可以在系统编程,且不需在片外提供编程电压。C8051F005单片机片内调试支持电路允许全速、在系统调试,并且有专门的开发工具支持。我们采用C8051F005中的A/D转换部分实现脉象信号的模数转换,调试方便,而且达到了实验要求。
本论文还对电源部分进行了专门的设计,为了适应整个数据采集系统可以采用电池和直接市电供电的需要,选取了不同的电源稳压器芯片,设计出了专门的电路.在电池供电的情况下,选择了小功率低压降型线性稳压器LP2951,它的输出电压有+ 5V固定式和+ 1 .24V～+29V可调式,消耗电流比其他的集成稳压器小,可延长电池的使用寿命。在市电供电的情况下,选择了可以直接接入市电的专用集成稳压器Hv2405E,它的输出电压一般为5V固定输出,但是也可以改变。通过设计不同的稳压器电路,很好的满足了电池供电和直接市电供电的需要。
Plus diagnosing is valued highly in herbalism. The eat and flow of viscus of patients’, can be known by plus diagnosing, which can also be used to detect the reason and position of disease and forecast the effect of cure. Traditional plus examining was realized by plus diagnosing applied effectively in herbalism. However, this technique got relative lower precision because of the man-made influence. Fortunately, computer techniques lead the plus diagnosing technique to another higher step, for the plus data collected by sensor can be processed by computer by plus programmer, and then the corresponding relations between plus data and waves could be known. According to the result, the diagnose and cure scheme can be determined by doctor. So that computer goes into herbalism generalize the plus diagnosing technique.
In this paper, a series of data collecting basic circles with low power was designed. The plus collection in six channels finished collection by cycle collection in only one channel. That is the plus in six channels apply a community amplifier, filter and A/D, then the plus would be chosen by MC14512B, when the single chip control the choosing shift.
Prefix amplifier uses CMOS CF7641, low power operation amplifier, with plus 10 to prevent prefix working in saturation and cut-off field. In order to amplify the plus collected by sensor from mV to V, we use exact amplifier AD624, with low noise, high plus precision, low plus temperature coefficient and high linearity, and make the plus on 100, out put pressure 5V into A/D directly. Batwoss filter was applied in filter circle to make the result meet the request. In order to waken the interference from frequency, UAF42 produced by BB Company is the best choice, for it can shovel the disturbance rinsed by frequency.
A/D conversion, with 12 bit precision approaching the goal eventually and the conversion rate could reach 100ksps, could reduce the plus data from six channels exactly. C8051F005 includes FLASH of 32k+128 bits. The memorizer, with sector of 512 bits, could be programmed just in system. A/D conversion from C8051F005 could realize the A/D conversion of plus data, convince debugging and reach the request of experiment.
In this paper, power section is also designed specially, to fit the whole date collection systems can use the battery and power supply, we chose different manostat chip and design different circuit. When the battery is in use,we chose the little power low voltage reduced linearity manostat LP2951, its output voltage is +5V and + 1. 24V～+29V,the use up of the electric current is lower than other integration manostat, and the life-span of the battery can be prolonged. When the power supply is in use, we chose the special integration manostat Hv2405E,which can connect the power supply directly, its output voltage is commonly +5V ,but it can be changed also. By design different manostat circuit, we meet the battery and power supply’s need commendably.
本论文本着低功耗的原则,设计了一套数据采集的基本电路。采集6路信号时,采用了单个通道循环采集的方法,即6路脉象信号共用一路放大、滤波和A/D转换电路,用模拟通道选择开关MC14512B来对脉象信号进行选择,同时利用单片机来控制这个选择开关,实现对6路脉象信号的循环采集。
前置放大电路选用四CMOS低功耗运算放大器CF7641,为了防止前置放大器工作于饱和区或截止区,选择增益为10。为了将传感器提取的mV级的信号放大到V级,需要再设计一个主放大器,本论文选用的是精密仪器放大器AD624,它的显著的低噪声,高增益精度,低增益温度系数和高线性度使得AD624在高要求的数据采集系统中成为理想的首选,我们把该部分放大器的增益设置为100,输出约5V的电压信号,可以直接输入到A/D转换部分。滤波电路选择二阶巴特沃斯滤波器,因为本设计中要求低频信号不被衰减,而对高频要求不高,二阶巴特沃斯滤波器能很好的达到预期的要求。工频干扰是脉搏信号的主要干扰,虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用,但有部分工频干扰是以差模信号方式进入电路的,所以必须专门滤除。我们选用了BB(Burr2Brown)公司的UAF42通用有源滤波器设置成的双T阻容有源陷波器,对50Hz工频干扰进行了滤除,UAF42内部集成了一个反向放大器和两个积分器,有效的克服了陷波器设计中最困难的得到严格容差、低损耗、匹配的电容的问题。
A/D转换直接采用C8051F005中的12位精度的逐次逼近式A/D转换器,它的转换速率可达到100ksps,可以不失真的还原出六路脉象信号,A/D转换和控制均可以由其来完成。C8051F005包含32k+128字节的FLASH,该存储器以512字节为一个扇区,可以在系统编程,且不需在片外提供编程电压。C8051F005单片机片内调试支持电路允许全速、在系统调试,并且有专门的开发工具支持。我们采用C8051F005中的A/D转换部分实现脉象信号的模数转换,调试方便,而且达到了实验要求。
本论文还对电源部分进行了专门的设计,为了适应整个数据采集系统可以采用电池和直接市电供电的需要,选取了不同的电源稳压器芯片,设计出了专门的电路.在电池供电的情况下,选择了小功率低压降型线性稳压器LP2951,它的输出电压有+ 5V固定式和+ 1 .24V～+29V可调式,消耗电流比其他的集成稳压器小,可延长电池的使用寿命。在市电供电的情况下,选择了可以直接接入市电的专用集成稳压器Hv2405E,它的输出电压一般为5V固定输出,但是也可以改变。通过设计不同的稳压器电路,很好的满足了电池供电和直接市电供电的需要。
Plus diagnosing is valued highly in herbalism. The eat and flow of viscus of patients’, can be known by plus diagnosing, which can also be used to detect the reason and position of disease and forecast the effect of cure. Traditional plus examining was realized by plus diagnosing applied effectively in herbalism. However, this technique got relative lower precision because of the man-made influence. Fortunately, computer techniques lead the plus diagnosing technique to another higher step, for the plus data collected by sensor can be processed by computer by plus programmer, and then the corresponding relations between plus data and waves could be known. According to the result, the diagnose and cure scheme can be determined by doctor. So that computer goes into herbalism generalize the plus diagnosing technique.
In this paper, a series of data collecting basic circles with low power was designed. The plus collection in six channels finished collection by cycle collection in only one channel. That is the plus in six channels apply a community amplifier, filter and A/D, then the plus would be chosen by MC14512B, when the single chip control the choosing shift.
Prefix amplifier uses CMOS CF7641, low power operation amplifier, with plus 10 to prevent prefix working in saturation and cut-off field. In order to amplify the plus collected by sensor from mV to V, we use exact amplifier AD624, with low noise, high plus precision, low plus temperature coefficient and high linearity, and make the plus on 100, out put pressure 5V into A/D directly. Batwoss filter was applied in filter circle to make the result meet the request. In order to waken the interference from frequency, UAF42 produced by BB Company is the best choice, for it can shovel the disturbance rinsed by frequency.
A/D conversion, with 12 bit precision approaching the goal eventually and the conversion rate could reach 100ksps, could reduce the plus data from six channels exactly. C8051F005 includes FLASH of 32k+128 bits. The memorizer, with sector of 512 bits, could be programmed just in system. A/D conversion from C8051F005 could realize the A/D conversion of plus data, convince debugging and reach the request of experiment.
In this paper, power section is also designed specially, to fit the whole date collection systems can use the battery and power supply, we chose different manostat chip and design different circuit. When the battery is in use,we chose the little power low voltage reduced linearity manostat LP2951, its output voltage is +5V and + 1. 24V～+29V,the use up of the electric current is lower than other integration manostat, and the life-span of the battery can be prolonged. When the power supply is in use, we chose the special integration manostat Hv2405E,which can connect the power supply directly, its output voltage is commonly +5V ,but it can be changed also. By design different manostat circuit, we meet the battery and power supply’s need commendably.
引文
1.马明建。《数据采集与处理技术》[M]。西安;西安交通大学出版社 。2005 年 3 月。
2.沈兰荪主编。《数据采集与处理》[M] 北京:能源出版社。1987 年 1 月。
3.李刚,林凌。 《与8051兼容的高性能、高速单片机--C8051FXXX》 [M]。北京:北京航空航天大学出版社。2002年5月。
4.焦志锋,季 忠,秦树人,赵 玲。《基于 USB 2. 0 的心电图数据采集仪器研究 》[J]。重庆: 重庆大学学报(自然科学版)。2005 年 2 月 第 28 卷第 2 期。
5.李晓春,周京科,元秀华,杨建叔 。《一种图形界面下的医学信号采集方法 》[J]。 湖南:中国现代医学杂志 。2000 Vol.10 No.7 P.63-64
6.吴 勇, 严惠民, 周明昱 。《线阵CCD 数据采集与USB210 传输 》[J]。上海:光学仪器 。第27 卷 第1 期 2005 年2 月
7.李洪彪,万勇 。《基于 LABVIEW 的激活数据采集及信号连接方法》[J]。南京:工业控制计算机。2005 年 18 卷第 1 期
8.李永策,徐颖强 。《基于VB 实时数据采集与处理的多线程设计 》[J]。重庆:工业仪表与自动化装置 。2005 年第1 期
9.袁晓明, 叶 平, 刘 春。《 EPP 高速数据采集与LabV IEW 接口实现》[J]。陕西:现代电子技术。2005 年第3 期总第194 期
10.王淑芳,张国英 ,马景兰,高艳铃 ,张福斌 ,李致荣。《 基于DSP 的数据采集系统开发与实现 》[J]。北京:北京石油化工学院学报 。第13 卷 第1 期 2005 年3 月
11.贺定球,王利猛,石磊。《一种基于单片机的高速数据采集系统的设计与实现》[J]。哈尔滨:电测与仪表 。总第42卷第469 期 2005年第1 期
12.纪淑波 ,刘晶 。《基于89C51 和USB总线的数据采集系统》[J]。 北京:国外电子测量技术。 2005年第3期 总第121期
13.刘丽娜,安颖 。《基于单片机的多通道数据采集板的设计》[J]。河北: 河北能源职业技术学院学报 。第1期(总14期) 2005年3月
14.吴东艳,张礼勇,刘煜坤。《基于USB总线的数据采集/信号发生器的设计》[J]。哈尔滨: 哈尔滨理工大学学报 。第10卷 第1期 2005年2月
15.江 潮, 李培玉 。《基于DSP和USB的数据采集系统 》[J]。广州: 《机床与液压》20051No.1
16.吴丽娜,高敬阳。《Windows 2000 /XP下通用实时采集的设计与实现 》[J]。成都:计算机应用 。第25卷第2期 2005年2月
17.范逸之,廖锦棋。《Visual Basic 硬件设计与开发—数据采集卡控制》[M]。北京:清华大学出版社。2004年5月。
18.王敏,李晓明。《基于USB总线通信数据采集器的设计与实现》[J]。天津:电气传动。2005 年 第35 卷 第7 期
19.丁珠玉, 樊 利, 吴永烽, 牟波佳, 张济龙。《基于USB接口的实时数据采集与分析系统》[J]。重庆:西南农业大学学报(自然科学版)。第27卷第3期 2005年6月
20.陈娟 。《基于TC534 的数据采集卡设计》[J]。哈尔滨:中国科技信息。2006年第三期
21.Philip M. Reppert1 and F. Dale Morgan 。《Streaming Potential Collection and Data Processing Techniques 》[J]。Journal of Colloid and Interface Science 233, 348–355 (2001)
22.Johan Wulleman ,Jan Cornelis 。《A novel charge amplifying technique》[J]。Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 406(1998) 507 511
23.Pauline A. Wilcox a,*, Albert G. Burger a, Peter Hoare b 。《Advanced distributed simulation: a review of developments and their implication for data collection and analysis》。 Simulation Practice and Theory 8 (2000) 201±231
24.The EZ2USB Technical Reference Manual [M] . Cypress Semi2 。conductor ,2000.
25.集成电路手册编委会 编 。《标准集成电路数据手册 运算放大器》[M]。北京:电子工业出版社。1998年1月。
26.贾茜,王兴松。《表面肌电信号拾取的专用有源滤波器设计》[M]。北京:电子设计应用。自控与测量。2006年1月。
27.颜良,陈儒军,刘石,陈一平。《基于UAF42通用滤波芯片的50Hz陷波器设计》[J]。北京:仪器仪表学报。2006.8 第27卷 第8期
28.邓勇,刘琪,施文康。《通用有源滤波器UAF42的原理及应用》[J]。西安:国外电子元器件。2001年第10期
29.陈思。《巴特沃斯低通滤波器的简化快速设计》[J]。信阳:信阳师范学院学报(自然科学版) 。1997年7月 第10卷 第3期
30.翦振芳。《生物医学有源低通滤波器的研制 》[J]。长沙:长沙电力学院学报(自然科学版)。1995年8月 第10卷 第3期
31.[美]J·L·希尔本,D·E·约翰逊 著, 徐绮云,沈幼文 译。《有源滤波器设计手册》 [M]。北京:地质出版社。1980年11月。
32.韩炳冬,宋克菲,于涛,张秀峰,林久令 。《PCI 数据采集卡 WDM 驱动程序设计》[J]。长春:东北师大学报自然科学版 。第 37 卷第 1 期 2005 年 3 月
33.杨全胜,胡友彬。《现代微机原理与接口技术》[M]。北京:电子工业出版社 。2002年 3 月
34.孙建延,董浩斌,杨永友 。《单总线与PC 机USB接口的实现与应用》[J]。沈阳:仪表技术与传感器。2005 年 第2 期
35.路永坤。《基于USB 接口的数据采集模块的设计与实现》[J]。上海:自动化仪表。第26 卷第2 期 2005 年2 月
36.胡荣强,郝艳杰,唐盛。《USB接口在数据采集系统中的应用》[J]。北京: 微计算机信息(测控自动化)。2005 年第21 卷第1 期
37.冯国飞,宋蕴兴。《基于USB数据采集卡的设计与实现》[J]。北京:微计算机信息(测控自动化)。2005年第21 卷第1 期
38.邢跃健,彭树生 。《基于USB接口的数据采集和控制卡设计》[J]。北京:微计算机信息(测控自动化)。2005年第21 卷第2 期
39.李大友。《微型计算机接口技术》[M]。北京:高等教育出版社。1990年9月
40.Jonathan W. Valvano《. Embedded Microcomputer Systems Real Time Interfacing》[M] . 2002.
41. 《Real2Time DSP Data Acquisition for High2Speed Host Trans2 fer[OL ] 》 . Texsa Instruments Inc’s Website :www. ti. com.
42.何希才,姜余祥。《新型稳压电源及其应用》[M]。北京:国防工业出版社。2002年1月
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29.陈思。《巴特沃斯低通滤波器的简化快速设计》[J]。信阳:信阳师范学院学报(自然科学版) 。1997年7月 第10卷 第3期
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31.[美]J·L·希尔本,D·E·约翰逊 著, 徐绮云,沈幼文 译。《有源滤波器设计手册》 [M]。北京:地质出版社。1980年11月。
32.韩炳冬,宋克菲,于涛,张秀峰,林久令 。《PCI 数据采集卡 WDM 驱动程序设计》[J]。长春:东北师大学报自然科学版 。第 37 卷第 1 期 2005 年 3 月
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