基于USB的经络信号的检测系统与设计论文经典.docx

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基于USB的经络信号的检测系统与设计论文经典

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。

2.1.2A/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/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。

2.2USB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

2.2.1.1RS-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。

2.2.1.2IEEE-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。

IEEE1394规范得到了很好的定义，而且基于IEEE规范的产品也在市场上出现了，目前IEEE1394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。

2.2.1.3RS-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-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。

2.2.1.4USB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。

2.2.2USB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联之分。

临床中广泛应用的是标准十二导联系统，分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ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Ⅱ、Ⅲ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十KΩ、乃至所以，经络放大器的输入阻抗必须在几MΩ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，必须提高放大器输入阻抗。

一般情况下，信号源的内阻为100kΩ，则放大器的输入阻抗应大于1MΩ。

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

级，主要用来提高整个放大电路的输入阻抗。

第

级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。

图3-4三运放仪用放大器

3.3.2.2方案

（二）利用AD620来设计放大电路

AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1～1000的低价格、低功耗、高精度仪表放大器。

它体积小，为8管脚的SOIC或DIP封装；供电电源范围为±2.3V～±l8V；最大供电电流仅为1.3mA。

AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大输入失调电压为5OμV，最大输入失调电压漂移为lμV/。

C，最大输入偏置电流为2.0nA。

G=10时，其共模抑制比大于93dB。

在1kHz处输人电压噪声为9nv／（Hz）1/2．在0.1Hz～10Hz范围内输人电压噪声的峰--峰值为0.28μV，输入电流噪声为0.1pA／（Hz）。

G=l时它的增益带宽为120kHz，建立时间为15μs。

总的来看，AD620的特点可归结为如下几点：

✧AD620能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能指标，故可用于精确的数据采集系统，作为各种微弱信号的前置调理器；

✧只用一只外部电阻就能设置放大倍数l～l000；

✧体积小，只有8个引脚；

✧低功耗，最大的供电电流为1.3mA；

✧价格低，建立时问短，所以它也非常适用于多路转换系统的V/I变换电路。

利用AD620构成经络放大器前置放大级：

图3-5

图5是AD620在经络图监测仪的的应用，这里的源阻抗可高达1MΩ，甚至更高，AD620的低功耗、低供电电压及低噪声特性得到了充分发挥。

3.3.2.3方案（三）用MAX4194实现

MAX4194也是增益可调的仪用放大器，下面是它的特性参数：

✧+2.7V单电源工作

✧低功耗

93µASupplyCurrent

8µAShutdownCurrent

✧高共模抑制比：

115dB（G=+10V/V）

✧低输入失调电压：

50µV（G=+100V/V）

✧G＝1000V/V时3dB带宽为147Hz

✧轨至轨输出

MAX4194的这些优异性能使它十分适合经络放大器的设计。

设计电路如下：

图3-5

3.3.3方案选择及元器件选择：

三运放仪用放大器，虽然可以满足一般要求，但由于集成化低，所用元件多，结构复杂，调试困难，难以满足当前各种微弱生理参数测量的高稳定性、高共模抑制比、高安全性的要求。

MAX4194的封装形式是贴片，用起来不太方便，所以选用DIP封装的AD620。

元件参数计算：

这一级增益选为250，并联双运放部分放大5倍，AD620部分放大50倍。

选R1＝R2＝20K，R3＝10K，则AV1=2R1/R3＝5。

取R5＝R6＝20K。

C1、C2、R7、R8组成高通滤波网络，截止频率为0.025Hz。

取R7＝R8＝200K,C1＝C2＝33μF，

f＝1/2

R7C1＝0.024Hz。

AD620部分放大50倍，由公式G=49.4kΩ/RG+1计算得到，RG=1kΩ。

前级总放大倍数AV前=AV1•G＝5

（49.4+1）＝252。

3.4共模信号抑制电路

3.4.1定义：

为了说明差分式放大电路指引共模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大电路对差模信号的电压增益

与对共模信号的电压增益

之比的绝对值，即

差模电压增益越大，共模电压增益越小，则共模抑制能力越强，放大电路的性能越优良，因此希望

值越大越好。

共模抑制比也可以用分贝表示：

3.4.2右腿驱动电路

体表驱动电路是专为克服50Hz共模干扰，提高CMRR而设计的，原理是采用以人体为相加点的共模电压并联负反馈，其方法是取出前置放大级中的共模电压，经驱动电路倒相放大后再加回体表上，一般的做法是将此反馈共模信号接到人体的右腿上，所以称为右腿驱动。

通常，病人在做正常的经络检测时，空间电场在人体产生的干扰电压以及共模干扰是非常严重。

而使用右腿驱动电路就能很好地解决了上述问题。

下图就是右腿驱动电路主要构成。

其中反馈共模电压可以消除人体共模电压产生的干扰，还可以抑制工频干扰。

3.4.3元器件参数计算：

参数选择：

R4＝1M

，RF=10M

，CF=4700pF（CF的作用是使右腿驱动电路稳定）,R9=100K

。

右腿驱动电路如下图所示：

图3-6

要求：

3dB频率是100Hz，在200Hz的率减大于25dB。

1）计算陡度系数AS。

AS＝200/100＝2

2）选择归一化设计满足低通要求。

n＝3的巴特沃斯设计能满足要求。

下图表示归一化低通滤波器。

图3-7

3）把低通换算为所需的截止频率和阻抗值。

计算FSF.

FSF=2

100=628

选Z＝10000，把所有电阻乘以Z，把所有电容除以Z

FSF。

下图是所得到的低通滤波器。

图3-8

下图是模拟的低通滤波器的幅频特性曲线。

图3-9

3.5工频50Hz的滤除电路

工频干扰是经络信号的主要干扰，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，且频率处于经络信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因素，前级电路输出的经络信号仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤除。

采用如下图所示是有源双T带阻滤波器，该电路的Q值随着反馈系数

（0<

<1）的增高而增高，Q值与

的关系如下：

，调节R16和R17的比值可改变Q值。

图3-10

3.5.1参数计算：

，

，C7=C8=C，C6=2C

先取

，由公式

计算得

，在软件上模拟后，调整为：

，

，

，

。

3.5.2Q值讨论

50Hz陷波器的传递函数为：

（1）

幅频特性为：

（2），

＝1，

＝100

rad。

国家允许交流供电频率在49.5～50.5Hz范围内，所以50Hz陷波器的Q值并不是越高越好，太高时，阻带过窄，若工频干扰频率发生波动，则根本达不到滤除工频干扰的目的。

而Q值太小时，又可能会滤