基于USB接口的心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：USB；心電；數(shù)據(jù)采集

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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電信號檢查的關(guān)鍵部件，它能在較強的噪聲背景下，通過電極將０．０５～１００Ｈｚ的微弱心電信號檢測出來，然后經(jīng)放大、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后送入計算機進行處理。計算機的使用使得該系統(tǒng)在信號分析、儲存、打印等方面比傳統(tǒng)的心電圖機具有明顯的優(yōu)勢。但采集系統(tǒng)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(shù)目有限等不足。為此?本文提出的基于ＵＳＢ接口的心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用了目前最為先進的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接口無法比擬的。同時也可以與筆記本電腦相連以構(gòu)成移動式心電檢測分析儀。

２　系統(tǒng)的硬件組成

２．１ 系統(tǒng)組成

圖１所示為基于ＵＳＢ接口的心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成框圖。圖中?電極傳感器檢測到的心電信號經(jīng)輸入保護電路進行電壓限幅、高頻濾波后，再進行前置放大，然后經(jīng)光電隔離后，再次進行電壓放大，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，通過它可以把Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)接后的數(shù)字信號經(jīng)ＵＳＢ接口傳輸?shù)接嬎銠C。

下面就數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾措施、信號放大及ＵＳＢ通信等問題進行重點論述。

２．２ 系統(tǒng)抗干擾

作為醫(yī)療器械的心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)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電極和地之間加入兩個并聯(lián)的硅二極管以進行電壓限幅，從而限制輸入電壓不超過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入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本設(shè)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。前者用來濾掉５０Ｈｚ工頻干擾（這是心電信號的主要干擾源），它是一個無源ＲＣ雙Ｔ網(wǎng)絡(luò)。后者用來抑制電極與皮膚接觸時引進的肌電信號，它是一個高載ＲＣ濾波器。

此外，還可采用軟件濾波的方法?？赏ㄟ^在軟件中設(shè)置５０Ｈｚ干擾濾波和漂移濾波等程序來進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

２．３ 放大電路

放大電路也是設(shè)計重點之一。一般情況下，心電信號必須進行放大才能送往計算機進行處理。由于極化電壓的影響，放大器的增益不能太高，因而本系統(tǒng)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(diào)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(diào)電壓為２００μｖ，輸入失調(diào)溫漂為２μｖ／℃，輸入噪聲為２０ｎＶ?Ｈｚ?１／２。前置放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置為５０。較小的前置放大倍數(shù)可以避免極化電壓的影響。電壓放大電路的放大倍數(shù)設(shè)置的較高（取為１００倍），則可以保證總的放大倍數(shù)。

２．４ ＵＳＢ專用芯片的選擇

目前各個廠商推出的ＵＳＢ芯片類型眾多，功能各異。本系統(tǒng)選用Ｃｙｐｒｅｓｓ半導(dǎo)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(fù)雜與繁瑣的ＵＳＢ通信，該器件可提供ＥＺ－ＵＳＢ固件函數(shù)庫與固件架構(gòu)，從而可大幅度地降低編寫固件程序代碼的困難程度。ＣＹ７Ｃ６４６１３支持ＵＳＢ協(xié)議１．１，同時可支持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，端點數(shù)量為３２個，可采用智能型的ＵＳＢ核心程序。

３　軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括三部分：固件設(shè)計、驅(qū)動程序設(shè)計、應(yīng)用程序設(shè)計。

本設(shè)計中將心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)規(guī)劃為人工接口設(shè)備ＨＩＤ群組。該ＨＩＤ群組原是針對鍵盤、鼠標等輸入設(shè)備而設(shè)置與規(guī)劃的。但是，對于需要以雙向、適當(dāng)?shù)念l率來進行數(shù)據(jù)交換的其它設(shè)備而言，也是一個非常好的設(shè)計范例與基礎(chǔ)架構(gòu)。因此，可以將這些設(shè)備規(guī)劃為ＨＩＤ群組，只要它們符合ＨＩＤ規(guī)范中所定義的各種特性與條件，就可以執(zhí)行ＨＩＤ設(shè)備的功能。在ｗｉｎｄｏｗｓ９８與ｗｉｎｄｏｗｓ２０００等操作系統(tǒng)中都已包含了ＨＩＤ群組的驅(qū)動程序，因此，用戶開發(fā)新設(shè)備時，無須重新編寫驅(qū)動程序。

３．１ 固件(Ｆｉｒｍｗａｒｅ) 設(shè)計

由于ＥＺ－ＵＳＢ ＦＸ系列已提供了固件架構(gòu)（ｆｒａｍｅ ｗｏｒｋｓ）。因此，可以利用這一架構(gòu)來簡化固件的開發(fā)。用戶僅需提供其ＵＳＢ描述符以及實現(xiàn)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(shè)備設(shè)置。此外，Ｃｙｐｒｅｓｓ公司還提供了副函數(shù)鉤子（ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｈｏｏｋｓ），利用該功能可以幫助用戶進行固件的設(shè)計。

在程序開始執(zhí)行后，固件架構(gòu)會執(zhí)行以下步驟：第一步，設(shè)置內(nèi)部狀態(tài)變量的起始值；第二步，調(diào)用用戶的初始設(shè)置函數(shù)ＴＤ－Ｉｎｉｔ；第三步，在１ｓ間隔后重新設(shè)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(gòu)立即啟動與其合作的工作分配器。

ＴＤ＿Ｉｎｉｔ（）可用來對用戶設(shè)備（即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）進行初始化，并重新尋址描述符表。其程序代碼如下：

ＴＤ＿Ｉｎｉｔ（）；

ｐＤｅｖｉｃｅＤｓｃｒ＝（ＷＯＲＤ）＆ＤｅｖｉｃｅＤｓｃｒ；

ｐＣｏｎｆｉｇＤｓｃｒ＝（ＷＯＲＤ）＆ＣｏｎｆｉｇＤｓｃｒ；

ｐＳｔｒｉｎｇＤｓｃｒ＝（ＷＯＲＤ） ＆ＳｔｒｉｎｇＤｓｃｒ；

ｉｆ（（ＷＯＲＤ）＆ＤｅｖｉｃｅＤｓｃｒ＆０ｘｅ０００）

ｐＲｅｐｏｒｔＤｓｃｒ＝（ＷＯＲＤ）＆ＲｅｐｏｒｔＤｓｃｒ

{

ＩｎｔＤｅｓｃｒＡｄｄｒ＝ＩＮＴＥＲＮＡＬ＿ＤＳＣＲ＿ＡＤＤＲ;

ＥｘｔＤｅｓｃｒＡｄｄｒ＝（ＷＯＲＤ）＆ＤｅｖｉｃｅＤｓｃｒ；

ＤｅｖＤｅｓｃｒＬｅｎ＝（ＷＯＲＤ）＆ＵｓｅｒＤｓｃｒ（ＷＯＲＤ）＆Ｄｅ-ｖｉｃｅＤｓｃｒ＋２；

ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜ＤｅｖＤｅｓｃｒＬｅｎ；ｉ＋＋）

＊（（ＢＹＴＥ ｘｄａｔａ ＊）ＩｎｔＤｅｓｃｒＡｄｄｒ＋ｉ）＝０ｘＣＤ；

ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜ＤｅｖＤｅｓｃｒＬｅｎ；ｉ＋＋）

＊（（ＢＹＴＥ ｘｄａｔａ＊ ）ＩｎｔＤｅｓｃｒＡｄｄｒ＋ｉ）＝＊（（ＢＹＴＥ ｘｄａｔａ ＊）ＥｘｔＤｅｓｃｒＡｄｄｒ＋ｉ）；?

ｐＤｅｖｉｃｅＤｓｃｒ＝ＩｎｔＤｅｓｃｒＡｄｄｒ；

ｏｆｆｓｅｔ ＝ （ＷＯＲＤ）＆ＤｅｖｉｃｅＤｓｃｒ_ＩＮＴＥＲＮＡＬ_ＤＳＣＲ_ＡＤＤＲ;

ｐＣｏｎｆｉｇＤｓｃｒ－ ＝ｏｆｆｓｅｔ;

ｐＳｔｒｉｎｇＤｓｃｒ － ＝ｏｆｆｓｅｔ;

ｐＲｅｐｏｒｔＤｓｃｒ－ ＝ｏｆｆｓｅｔ;

}

ＥＺＵＳＢ_ＩＲＱ_ＥＮＡＢＬＥ();

ＥＺＵＳＢ＿ＥＮＡＢＬＥ_ＲＳＭＩＲＱ();

．

３．２ 驅(qū)動程序設(shè)計

在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)中，ＵＳＢ驅(qū)動程序是基于Ｗｉｎ ３２ Ｄｒｉｖｅｒ Ｍｏｄｅｌ?ＷＤＭ?的，它用階層式驅(qū)動程序模式，每個驅(qū)動程序階層負責(zé)處理一部分通信工作，具體框圖如圖３所示。設(shè)備驅(qū)動程序（含群組驅(qū)動程序）可與系統(tǒng)的總線驅(qū)動程序進行通信，總線驅(qū)動程序用來處理ＵＳＢ的硬件。用戶應(yīng)用程序并不直接與硬件打交道，而是使用Ｗｉｎ ３２ ＡＰＩ調(diào)用函數(shù)對Ｗｉｎ ３２子系統(tǒng)進行調(diào)用，同時給設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)Ｉ／Ｏ請求包（ＩＲＰ）。由于Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)中已包含了總線驅(qū)動程序和一些群組驅(qū)動程序，因此用戶只需編寫自己的用戶設(shè)備驅(qū)動程序或選用Ｗｉｎｄｏｗｓ提供的群組驅(qū)動程序即可。

在Ｗｉｎｄｏｗｓ系統(tǒng)中，ＨＩＤＤＥＶ．ＩＮＦ文件中已提供有ＨＩＤ群組的驅(qū)動程序，可以直接引用。從而省去了編寫繁瑣的用戶驅(qū)動程序的麻煩。

３．３ 應(yīng)用程序設(shè)計

在應(yīng)用程序中，需要設(shè)置與固件程序及驅(qū)動程序中相同的ＰＩＤ／ＶＩＤ碼，才能在設(shè)備管理中找到對應(yīng)的ＵＳＢ設(shè)備（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）。具體的設(shè)置程序代碼如下：

Ｃｏｎｓｔ ＭｙＶｅｎｄｏｒＩＤ＝＆Ｈ１２３４

Ｃｏｎｓｔ ＭｙＰｒｏｄｕｃｔＩＤ＝＆Ｈ５６７８

在Ｗｉｎｄｏｗｓ ９８驅(qū)動程序開發(fā)工具組（ＤＤＫ）中，一般都具有用戶模式（即應(yīng)用程序階層）ＨＩＤ通信部分的完整指導(dǎo)準則。用戶通過調(diào)用ＡＰＩ函數(shù)，可以找到與設(shè)備描述符內(nèi)設(shè)置的ＶＩＤ／ＰＩＤ碼相符合的ＨＩＤ設(shè)備（即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）。有了ＡＰＩ函數(shù)傳回的設(shè)備路徑名稱，就能用ＧｒｅａｔｅＦｉｌｅ()函數(shù)打開設(shè)備的指示（ｈａｎｄｌｅ），然后使用ＨＩＤ特定的ＡＰＩ函數(shù)來讀?。郑桑模校桑拇a，最后再使用ＲｅａｄＦｉｌｅ()與ＷｒｉｔｅＦｉｌｅ()函數(shù)來準備交換數(shù)據(jù)。具體編程方法可參閱Ｗｉｎｄｏｗｓ ９８ ＤＤＫ。

４　結(jié)論

基于ＵＳＢ接口的心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能。試驗表明，其使用方便，性能穩(wěn)定。尤其是它與筆記本電腦相結(jié)合可構(gòu)成移動式心電信號檢測分析儀，從而方便地應(yīng)用于野外、救護車、病房等傳統(tǒng)心電分析儀不便使用的場合，具有很高的實用推廣價值。