基于USB接口的心電信號數據采集系統

摘要：介紹了基于USB接口的心電信號數據采集系統，給出了該系統的硬件組成原理及軟件設計方法。由于該系統使用了高性能的USB專(zhuān)用芯片CY7C64613，因而具有使用方便、即插即用等特點(diǎn)。與筆記本電腦相連即可構成移動(dòng)式心電信號檢測分析儀器，具有較高的實(shí)用推廣價(jià)值。

１　引言

心電信號是最廣泛的臨床檢查項目之一。心電信號數據采集系統是心電信號檢查的關(guān)鍵部件，它能在較強的噪聲背景下，通過(guò)電極將０．０５～１００Ｈｚ的微弱心電信號檢測出來(lái)，然后經(jīng)放大、Ａ／Ｄ轉換后送入計算機進(jìn)行處理。計算機的使用使得該系統在信號分析、儲存、打印等方面比傳統的心電圖機具有明顯的優(yōu)勢。但采集系統與計算機的通訊接口都存在插卡插拔麻煩，安全性差，且擴展槽數目有限等不足。為此?本文提出的基于ＵＳＢ接口的心電信號數據采集系統使用了目前最為先進(jìn)的ＵＳＢ接口技術(shù)，能夠支持即插即用和熱插拔功能。這是其它非ＵＳＢ接口無(wú)法比擬的。同時(shí)也可以與筆記本電腦相連以構成移動(dòng)式心電檢測分析儀。

２　系統的硬件組成

２．１ 系統組成

圖１所示為基于ＵＳＢ接口的心電信號數據采集系統的組成框圖。圖中?電極傳感器檢測到的心電信號經(jīng)輸入保護電路進(jìn)行電壓限幅、高頻濾波后，再進(jìn)行前置放大，然后經(jīng)光電隔離后，再次進(jìn)行電壓放大，最后經(jīng)干擾抑制電路消除干擾后，在多路模擬開(kāi)關(guān)的控制下將其中某一路信號接入Ａ／Ｄ。ＣＹ７Ｃ６４６１３是帶智能ＵＳＢ接口的單片機，通過(guò)它可以把Ａ／Ｄ轉接后的數字信號經(jīng)ＵＳＢ接口傳輸到計算機。

下面就數據采集系統的抗干擾措施、信號放大及ＵＳＢ通信等問(wèn)題進(jìn)行重點(diǎn)論述。

２．２ 系統抗干擾

作為醫療器械的心電信號數據采集系統，由于其檢測對象是低頻、微弱的心電信號，干擾較大，因此?系統的抗干擾能力及安全可靠性至關(guān)重要。針對這種情況，本系統采取了多方面措施。圖２所示為輸入保護電路和高頻濾波電路。其中輸入保護電路是在每個(gè)電極和地之間加入兩個(gè)并聯(lián)的硅二極管以進(jìn)行電壓限幅，從而限制輸入電壓不超過(guò)±６００ｍｖ，確保病人和儀器的安全。高頻濾波電路用于阻止高頻干擾信號進(jìn)入數據采集系統。本設計使用以ＦＸ１０１芯片為核心的低通濾波器。濾波截止頻率為：

ｆｃ＝１／[２ｐ(Ｒ１Ｒ２Ｃ１Ｃ２)１／２]

使用光電隔離電路和干擾抑制電路可進(jìn)一步提高抗干擾能力。干擾抑制電路包括５０Ｈｚ干擾抑制電路和肌電干擾抑制電路。前者用來(lái)濾掉５０Ｈｚ工頻干擾（這是心電信號的主要干擾源），它是一個(gè)無(wú)源ＲＣ雙Ｔ網(wǎng)絡(luò )。后者用來(lái)抑制電極與皮膚接觸時(shí)引進(jìn)的肌電信號，它是一個(gè)高載ＲＣ濾波器。

此外，還可采用軟件濾波的方法�？赏ㄟ^(guò)在軟件中設置５０Ｈｚ干擾濾波和漂移濾波等程序來(lái)進(jìn)一步提高系統的抗干擾能力。

２．３ 放大電路

放大電路也是設計重點(diǎn)之一。一般情況下，心電信號必須進(jìn)行放大才能送往計算機進(jìn)行處理。由于極化電壓的影響，放大器的增益不能太高，因而本系統采用了前置放大電路和電壓放大電路兩級放大的方法。對前置放大電路的要求是：輸入阻抗高、失調溫漂小、共模抑制比高、輸入噪聲小。為此筆者選用了ＩＮＡ１２１芯片。ＩＮＡ１２１是Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＢＢ公司生產(chǎn)的低功耗儀器放大電路，性能優(yōu)越，它的差模輸入電阻為１０１２Ω，共模抑制比為１０６ｄＢ，輸入失調電壓為±２００μｖ，輸入失調溫漂為±２μｖ／℃，輸入噪聲為２０ｎＶ?Ｈｚ?１／２。前置放大電路的放大倍數設置為５０。較小的前置放大倍數可以避免極化電壓的影響。電壓放大電路的放大倍數設置的較高（取為１００倍），則可以保證總的放大倍數。

２．４ ＵＳＢ專(zhuān)用芯片的選擇

目前各個(gè)廠(chǎng)商推出的ＵＳＢ芯片類(lèi)型眾多，功能各異。本系統選用Ｃｙｐｒｅｓｓ半導體公司推出的ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ全速系列中的ＣＹ７Ｃ６４６１３－１２８ＮＣ芯片。ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ系列芯片是帶智能ＵＳＢ接口的單片機，它以８０５１為核心。對于復雜與繁瑣的ＵＳＢ通信，該器件可提供ＥＺ－ＵＳＢ固件函數庫與固件架構，從而可大幅度地降低編寫(xiě)固件程序代碼的困難程度。ＣＹ７Ｃ６４６１３支持ＵＳＢ協(xié)議１．１，同時(shí)可支持１２Ｍｂｐｓ的全速傳輸。此外，它還帶有增強版的８０５１核心和４ｋＢ或８ｋＢ的ＲＡＭ，端點(diǎn)數量為３２個(gè)，可采用智能型的ＵＳＢ核心程序。

３　軟件設計

本系統的軟件設計包括三部分：固件設計、驅動(dòng)程序設計、應用程序設計。

本設計中將心電信號數據采集系統規劃為人工接口設備ＨＩＤ群組。該ＨＩＤ群組原是針對鍵盤(pán)、鼠標等輸入設備而設置與規劃的。但是，對于需要以雙向、適當的頻率來(lái)進(jìn)行數據交換的其它設備而言，也是一個(gè)非常好的設計范例與基礎架構。因此，可以將這些設備規劃為ＨＩＤ群組，只要它們符合ＨＩＤ規范中所定義的各種特性與條件，就可以執行ＨＩＤ設備的功能。在ｗｉｎｄｏｗｓ９８與ｗｉｎｄｏｗｓ２０００等操作系統中都已包含了ＨＩＤ群組的驅動(dòng)程序，因此，用戶(hù)開(kāi)發(fā)新設備時(shí)，無(wú)須重新編寫(xiě)驅動(dòng)程序。

３．１ 固件(Ｆｉｒｍｗａｒｅ) 設計

由于ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ系列已提供了固件架構（ｆｒａｍｅ ｗｏｒｋｓ）。因此，可以利用這一架構來(lái)簡(jiǎn)化固件的開(kāi)發(fā)。用戶(hù)僅需提供其ＵＳＢ描述符以及實(shí)現外圍功能的程序代碼?在ＰＥＲＩＰＨ．Ｃ文件中?，即可完成完全兼容的ＵＳＢ設備設置。此外，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司還提供了副函數鉤子（ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｈｏｏｋｓ），利用該功能可以幫助用戶(hù)進(jìn)行固件的設計。

在程序開(kāi)始執行后，固件架構會(huì )執行以下步驟：第一步，設置內部狀態(tài)變量的起始值；第二步，調用用戶(hù)的初始設置函數ＴＤ－Ｉｎｉｔ；第三步，在１ｓ間隔后重新設備列舉（ＲｅＮｕｍｅｒａｔｅ），直到收到ＳＥＴＵＰ封包為止；第四步，一旦ＳＥＴＵＰ封包被檢測到，固件架構立即啟動(dòng)與其

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