摘要:本文介绍了一个基于虚拟仪器技术的胃电检测分析系统的研制。该系统由通用PC机、模块化功能硬件和测控分析软件构成,软件平台为Windows9X,用户只需操作PC机显示器上的虚拟仪器软面板即可控制仪器的运行,完成测试分析任务。由于采用了先进的计算机软、硬件技术,使系统测试精度高、功能完善、使用方便、造价低廉。
1 概述
我们研制的“胃电检测分析系统”是一种采用了现代检测技术和先进的计算机技术的微机化、自动化、柔性化的虚拟仪器式医疗检测仪器系统。它由通用PC机、模块化功能硬件 和测控分析软件构成。信号采集硬件模块接插在PC机的I/O插槽上,与PC机构成测试仪器系统。操作人员通过操作PC机显示器上的虚拟仪器软面板控制仪器的运行,完成测试分析任务。本仪器系统充分利用了通用计算机软硬件资源,以先进的计算机技术实现了传统的昂贵设备所具有的功能,系统测试精度高、功能完善、使用方便、一机多用、造价低廉。
该“胃电检测分析系统”由体表电极、EGG放大模块、信号采集控制电路、一台通用PC机、一台通用打印机及一套软件构成, PC机系统平台为Windows9X。该PC机同时仍可作为普通电脑正常使用,不受其作为仪器系统的影响,做到一机多用。该“胃电检测分析系统”能完成体表胃电信号的检测、实时示波、瞬态记录、波形存储、波形分析、频谱分析等多种功能,可应用于临床检测分析、医学科研和教学。
2 硬件系统
2·1 系统要求
人体表面的胃电(EGG: Electro-gastrogram)信号幅度小、变化范围大(约30 ~600μv),而其正常频率范围为0·0466~0·0533Hz,异常频率范围为0·066~0·1Hz和0·0366~0·0433Hz。可见,从体表检出的EGG信号是一种超低频的微弱信号,而且淹没在心电、肠电等其他生物电信号中。根据EGG信号的这种特点,前端信号检测电路要求具有几千至几万倍的增益,电路带宽应设计为0·03~0·095Hz范围。从功能上看,本系统有下述设计要求:
(1)能对双通道EGG信号进行连续不断的同步实时采集,并能将信号波形实时连续不断地显示在PC机显示器上。
(2)能对EGG信号进行单次设定样本长度的实时采集、转储、回显。样本长度可以由用户在使用中设定。
(3)在对EGG信号进行连续不断地实时采集及连续不断地实时显示中,能对任意感兴趣的波形进行冻结、回显及存储。
(4)在数据采集时,可程控设定精确的采样定时间隔。采样定时间隔精度要保证对0·03~0·095Hz范围的信号作波形及频谱分析能达到较高的分析精度。
(5)在设计中还要考虑本系统是基于PC机Windows9X的多任务环境的特点,应尽量减少对系统工作的影响。
2·2 系统结构
根据上述系统要求,硬件系统由体表电极、EGG放大模块、信号采集控制电路组成。体表电极采用Ag-AgCl皮肤表面电极作为传感器,其极化电压小而且能很快稳定,有利于EGG信号的检测。EGG放大模块设计为放大倍数5000,输入阻抗大于1GΩ,带宽0·03~0·095Hz。
经EGG放大模块放大后的EGG信号送到信号采集控制电路被采样、量化及缓存。信号采集控制电路包括采样保持电路、ADC电路、数据缓冲区电路、时序控制逻辑等主要部分构成。系统总体结构如图1所示。
2·3 工作原理
在数据采集控制电路中,我们设计了独特的映射为主机内存的双口环状缓冲区及高精度时序控制逻辑,改数据采集的程序控制过程为对程序员透明的纯硬件自动控制过程,实现了不间断、精确等时间隔的多通道实时ADC数据流采集与主机处理的并行操作,保证了后续数据分析的精度,提高了整个系统的工作效率。并且,整个硬件系统被设计为具有宽适应范围的柔性结构,实现了全面的程控操作,为后续虚拟仪器软件系统的建立奠定了扎实的基础。
图1中,时序控制逻辑是整个数据采集系统的控制核心,一旦被主机启动,将自动控制数据采集过程连续有序地进行,完成以往由软件实现的过程。采样保持和选通逻辑由采样保持器、模拟多路开关及其地址产生逻辑构成,它在时序控制逻辑的控制下,实现对多路模拟信号进行定时同步采样保持,并依次选通各通道信号至ADC;系统中用一片ADC在时序控制逻辑的控制下分时完成各通道模拟信号的A/D转换;双口环状缓冲区由双口RAM芯片构成, ADC转换的数字量结果在时序控制逻辑控制下依次存入环状数据缓冲区;主机系统完成对时序控制逻辑的初始化、启动时序控制逻辑及从双口环状缓冲区中获取采集到的数据。
双口缓冲区在同一个存储器中具有两组相互独立的访问控制线路,可以进行并行的独立操作。在设计中,将该双口环状缓冲区映射为主机内存。双口环状缓冲区的左端口面向ADC,对ADC而言,左端口接收ADC数据,并且从低地址到高地址按顺序写。右端口面向主机,并被映射为主机内存,主机像访问内存一样按采集顺序从右端口读取ADC数据。右端口对主机而言只有读操作,而且要求按采集数据顺序从低地址到高地址读数据。左端口地址来自于一个循环计数器,因而该缓冲区成为一个首尾相连的环状缓冲区。这种环状结构的缓冲区使得ADC数据流可以不间断地在双口环状缓冲区中循环存储,只是旧数据不断依次被新数据所覆盖,环状缓冲区中总是保留着当前一段时间内的信号数据,数据记录的长度等于双口环状缓冲区的容量。主机可以从数据采集过程的触发点开始连续不断地“追读”并显示环状缓冲区中的数据,从而实现了系统对信号连续不断的实时采集并将信号波形实时连续不断地显示。若只需采集单次一定长度的信号样本,则可由程序控制在采集满并转储存了设定长度的信号样本后就使ADC停止转换。单次样本长度可由程序任意设定。
在对被测信号进行连续不断地实时采集及连续不断地实时显示中,若对当前显示的波形感兴趣,则可通过软件发一冻结命令,使环状缓冲区内的数据流“冻结”住(使环状缓冲区内的数据停止自动更替),然后由主机将其转储、回显。若要“解冻”,只需再用一条输出指令即可重新触发启动采集过程。
本采集系统工作流程描述如下:见图1所示,由软件启动后,时序控制逻辑向环状缓冲区地址发生器发初始清零脉冲TRS,并向采样保持电路发送定时采样保持脉冲TSH,该TSH脉冲保持住同时刻的一组两个通道信号的值,并产生ADC的转换启动脉冲TST,启动ADC分时转换两个通道的信号。每转换一个通道信号的值,就产生写脉冲TWE将转换结果写入由缓冲区地址发生器指向的缓冲区单元,同时使缓冲区地址发生器加1,指向缓冲区下一单元。这样,就完成了一个TSH脉冲采保的某时刻的一组两个通道信号值的采集存储(称为一帧数据的采集)。周而复始。TSH脉冲间隔被硬件时序保证了其精确恒等性,并可程控其间隔大小,使其满足按多种采样率进行实时采样的需要。内部可编程计数器对双口环状缓冲区中采集到的数据进行计数,当计满程序设定的计数值后,向主机发中断请求IRQ。主机在中断服务程序中读取双口环状缓冲区中的一组数据进行处理,中断控制电路能够使主机以中断方式分组(分组及每组数据个数由可编程计数器根据需要设定)“追读”双口环状缓冲区中的数据流。
本硬件系统功能完善,能适用于较宽采样率范围的多个信号的精确同步均匀采集及对其进行各种谱分析处理。由于设计中广泛采用了可程控技术,使整个系统具有较好的柔性结构,能方便地与PC机结合为一体,构造成基于WIN 9X平台的虚拟仪器系统,用软件控制完成前述各种功能及进行信号的精确分析处理。
3 软件系统
软件系统包括实时示波模块、时域分析模块、频域分析模块和文件管理模块等四个模块。“软件即设备”,“软件就是仪器”。建立在柔性结构的模块化功能硬件之上的测控分析软件是虚拟仪器系统的重要组分。该测控分析软件系统除了要实现内在的仪器测控分析功能外,还要有一系列的外观和感觉一致的虚拟的仪器软面板,用户就像操作传统的物理仪器一样操作这些软面板,实现测量控制及分析。为此,我们以Windows 9X为平台,采用面向对象及可视化的软件设计技术实现了这一目标。
3·1 EGG实时示波模块
实时示波模块与信号采集控制电路直接打交道,对它的要求是实时性好、效率及可靠性高。我们以VC++和汇编语言为编程工具,采用多线程并行处理技术,提高了软件的处理速度和效率。用VXD监控硬件中断,从而提高响应中断的优先级、响应速度和可靠性。采用了无闪烁刷屏技术实现波形动态实时显示。
3·1·1 模块功能
本模块是整个软件系统与硬件打交道的部分。该部分要实现的具体功能如下:
(1)用户接口功能。该功能主要负责与用户进行交流,把用户的要求与设置保存下来并显示。①选择硬件的工作方式(实时显示和采样控制)。②选择采样速度。③选择“采样控制” 方式下的样本长度。④动态调整屏幕上的波形长度。⑤动态调整屏幕上波形显示比例(X和Y方向)。⑥动态调整屏幕上波形的位置(X和Y方向)。⑦动态调整屏幕上波形的显示颜色。⑧动态调整屏幕上刻度格的颜色。⑨动态调整屏幕上刻度尺的位置(实现移动刻度尺)。
(2)硬件控制功能。该功能主要是控制硬件的启动、停止和工作方式,把用户的要求和设置通知相应的硬件。①用VXD(虚拟设备驱动程序)监控硬件中断。②根据用户选择的工作方 和模式启动硬件。③当发生硬件中断,VXD响应中断并通知中断服务程序。④中断服务程序读取采集的数据。⑤按用户要求使硬件改变工作方式。⑥按用户要求控制硬件结束数据采集。
(3)数据处理功能。该功能主要是读取硬件采集到的数据并在屏幕上按用户的要求显示出来。①当有中断发生时,读取采集到的数据。②把采集到的数据按用户的要求用波形实时显示出来。③在内存中保存采集到的最新的一批数据。④把采集到的数据按用户指定的文件名存盘。实时示波模块的软件界面(软面板)如图2所示。
模块的整体结构如图3所示。实时示波模块工作流程如图4所示。
3·2 EGG波形分析系统
这部分软件包括时域分析、频域分析和文件管理等几个模块,与硬件没有直接实时处理关系,它们是对数据进行各种离线的分析和处理。但这部分软件必须保证对数据分析处理有足够的精度和可靠性、要有优良的可视化界面效果。
3·2·1 模块功能
(1)时域分析功能。对EGG波形在时域进行显示及各种分析,按照用户的要求与设置保存波形及分析结果。具体功能为①选择要打开的波形文件。②对两个通道的波形图进行同屏显示或隐藏。③动态调整屏幕上波形显示的比例(X和Y方向)。④动态调整屏幕上波形显示的位置(X和Y方向)。⑤鼠标取点自动读数。⑥对两个通道波形进行参数的自动计算、显示和保存。⑦对波形图的分析实态及其参数进行打印和保存。时域分析软件界面如图5所示。
(2)频域分析功能。对EGG波形在频域进行各种分析、显示,包括频谱分析和运行谱分析,按照用户的要求和设置保存波形图、频谱图及其他分析结果。具体功能为①选择要打开的EGG时域波形文件。②动态调整屏幕上时域图形显示的比例(X和Y方向)。③动态调整屏幕上时域图形显示的位置(X和Y方向)。④鼠标取点自动读数。⑤对打开的时域波形进行频谱分,并将谱图显示。⑥动态调整屏幕上谱图显示的比例(X和Y方向)。⑦动态调整屏幕上谱图显示的位置(X和Y方向)。⑧自动显示鼠标所指向的谱线的幅值和频率。⑨自动计算谱图的特征参数。⑩对两个通道的谱图可分屏或同屏显示。○11三维运行谱的分析显示。○12动态调整屏幕上三维运行谱的显示比例(X、Y和Z方向)。○13动态调整屏幕上三维运行谱显示的位置。○14对各种波形图、谱图的分析实态及其参数进行打印和保存。部分频谱分析功能界面如图6所示。
(3)图文打印功能。该功能对用户感兴趣的各种时域波形图、频谱图、运行谱图及其各种参数进行打印和保存,它们分散在各个模块中实现。
(4)文件管理功能。该功能对用户产生的各种文件进行分类管理。
一次测量分析中各个模块产生的文件有:①冻结波形,数据采集中冻结后保存的实时时域波形文件(以D-*为扩展名)。②采样波形,数据采集中为分析特定波形采样到的实时时域波形文件(以C-*为扩展名)。③频谱文件,时域波形频谱分析后生成的频域图形文件(以F-*为扩展名)。④三种打印文件:时域分析结果文件(以PRS为扩展名)、频域分析结果文件(以PRP为扩展名)、运行谱分析结果文件(以PRY为扩展名)。
该部分实现具体功能:①当一新用户使用该系统时,为该用户建立文件夹分类存储文件。②每个用户只能打开和分析自己的文件。③可直接打开、删除和打印各类文件。④可直接看到各个文件的创建时间和长度属性。波形分析系统的整体结构如图7所示。
3·2·2 技术手段
在这部分我们解决了如何在实时示波模块和数据分析模块间进行数据的准确传送问题、如何减少或避免误差的累加和传递问题、各种波形及频谱分析的准确作图和打印问题等。采用了主要技术手段:①用户界面、数据处理及分析采用VB开发。强大的图形用户界面增强了仪器软面板的显示功能和效果。②采用精心设计的算法尽量缩短处理时间,提高软件的处理速度、可靠性和精确性。③频谱分析采用效率较高的FFT算法。④采用不同的文件进行数据管理,使得采样所得原始数据、分析处理后的数据、分析结果都能分别管理和存储,避免了数据的混乱,并且在各种分析处理中都是对原始的数据进行,避免了误差的传递,保证了数据的精度。
4 结束语
采用先进的计算机技术实现的虚拟仪器系统能满足现代日益提高的测试分析要求,它自动化程度高、功能强大、可靠性高、可维护性好、易于升级、成本低廉,可以实现许多传统仪器难以或无法实现的功能,是自动测试分析和电子测量领域技术发展的潮流。本系统如若引入人工智能和模糊技术,则可进一步开发其智能诊断功能。
参 考 文 献
1 阮德生.自动测试技术与计算机仪器系统设计.西安:西安电子科技大学出版社, 1997.
2 胡广书.数字信号处理.北京:清华大学出版社, 1997.
3 王保华.生物医学电子学.北京:高等教育出版社, 1988.
作者简介
罗 杰,男, (1963-),教授,主要研究方向为网络化测控系统、虚拟仪器、智能系统等。
宁爱兵,男,硕士,现为上海理工大学博士生。
徐 虹,女,硕士,现为江西师范大学软件学院教师。
