基于Labview的壓力控制脈搏采集系統(tǒng)

曾博才

（四川大學 四川 成都 610064）

傳統(tǒng)中醫(yī)就像山川一樣引人入勝，而脈診更是其中的奇峰，令人想一觀“廬山真面目”。脈搏波反映了人的生理病理信息，它的參數(shù)提取也是現(xiàn)在研究者最為關注的事情，這也就意味著越能夠發(fā)現(xiàn)更多的參數(shù)也就有利于攻克這一醫(yī)學堡壘，參數(shù)重要能夠提取出精確的信息也很重要，能夠在不同的壓力下提取信息是首先應該解決的問題[1]。以往控制電路習慣用單片機、ARM，現(xiàn)在脈搏提取信號及壓力控制都在Labview中實現(xiàn)，外面有些簡單的電路，主要是開關電路和壓強測量電路這樣即可以在Labview中對提取的脈搏信號進行分析處理又可以進行對壓力大小的控制[2]，實現(xiàn)自動化。作為虛擬儀器中最具代表性的圖像化編程開發(fā)平臺Labview可以把繁瑣、復雜、費時的語言編程簡單化為用菜單和圖表提示的方式選擇功能[1]，然后利用線條把這些功能連接起來的圖像化編程。

1 系統(tǒng)構成

為了采集到不同壓力下的脈搏波，便于對以后提取更多有用的信號。通過:Labview的產生的數(shù)字電壓通過USB-6008的電壓輸出接到氣泵驅動電路的輸入電壓，當為高電平時此時氣泵工作，開始加壓，于此同時把壓力測量電路的信號通過USB-6008采集到Labview中[3]，當壓力達到浮、中、沉的要求時Labview產生的數(shù)字電壓輸出低電平，此時氣泵關閉，這時Labview可以采集到不同壓力下的脈搏波信號，它的具體實現(xiàn)見圖1。

圖1 系統(tǒng)構成圖Fig.1 System configuration

2 硬件電路

2.1 氣泵控制電路

氣泵驅動電路也就是一個開關電路，由USB-6008的輸出電壓接入它的輸入端，通過控制電壓的高低電平達到控制氣泵工作狀態(tài)的要求。該電路要考慮氣泵的功率及工作時電流所應達到的要求，所以器件的選取很重要。由于采用的氣泵的工作電壓為2～8 V，它的阻值為20 Ω，所以該氣泵的驅動電流為100～400 mA。采用的三極管S8050的耗散功率0.625 W，集電極電流500 mA，放大倍數(shù)為30～60。USB-6008的輸出電壓為5 V。為了滿足氣泵工作的工作要求，三極管基極連入的電阻為800 Ω。氣泵驅動電路見圖2，其中電壓跟隨器的目的是為了防止后面電路對USB-6008的輸出電壓產生干擾。

圖2 氣泵驅動電路Fig.2 Pump drive circuit

2.2 壓力測量電路

傳感器芯片選用臺灣APM（亞太優(yōu)勢）公司生產的BP300T。BP300T是一款常用于電子血壓計的傳感器。它具有結構簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高、通用性強等優(yōu)點，它的壓力范圍：300 mmHg 5.8PSIG/40 kpa，電壓變化范圍：100±30 mV，最大極限：不得超出額定壓力的3X，額定電流：1.5 mA，最大電流：3.0 mA。由于壓力傳感器出來的信號為差分信號，也就是它氣泵往探頭上面充氣與大氣壓的差額，這種差值是和往手臂上所加的壓力大小成正比的，由于它的電壓變化范圍為100±30 mV，這很容易收到干擾，所以本文用AD620對壓強差信號進行放大，AD620內部由3個運放構成，為高度對稱的差動結構，輸入阻抗非常大，共模抑制比CMRR很高，有利于抑制共模干擾。它的電源范圍：VCC=VEE=±2.3～±18 V，AD620的增益計算公式：

其中RG就是圖3的R1，這個放大器可以很方便地計算出它的增益。

圖3 壓力測量電路Fig.3 Pressure measurement circuit

3 Labview軟件實現(xiàn)

3.1 Labview電壓輸出和壓力控制

Labview虛擬化編程圖像化編程開發(fā)平臺是把一些功能化的模塊用線連接起來的圖像化編程，該軟件系統(tǒng)的設計流程圖見圖4。程序的編寫關鍵是要運用這些功能模塊，進行設定、連接，實現(xiàn)圖形化編程[4]。

圖4 軟件系統(tǒng)流程圖Fig.4 Software system flow chart

文中采用的NI USB-6008可提供8個模擬輸入 （AI）通道、2 個模擬輸出（AO）通道、12 個數(shù)字輸入/輸出（DIO）通道以及一個帶全速USB接口的32位計數(shù)器。它的輸出范圍為0～5 V。labview電壓輸出和壓力控制程序需要用到的主要模塊有NI-DAQmx寫入函數(shù)、NI-DAQmx創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)、NI-DAQmx清除任務函數(shù)、NI-DAQmx定時函數(shù)、NI-DAQmx啟動任務函數(shù)、NI-DAQmx讀取函數(shù)。

NI-DAQmx寫入函數(shù)（DAQmx Write）將數(shù)據(jù)寫入指定的生成任務中。這個函數(shù)允許選擇生成類型（模擬或數(shù)字），虛擬通道數(shù)、采集數(shù)和數(shù)據(jù)類型。

NI-DAQmx創(chuàng)建虛擬通道函數(shù) （DAQmx Create Virtual Channel）用于創(chuàng)建一個虛擬通道并且將它添加成一個任務[6]。它也可以用來創(chuàng)建多個虛擬通道并將它們都添加至一個任務。該函數(shù)可指定虛擬通道使用模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字輸入和計數(shù)器操作這4種物理通道。根據(jù)USB-6008的實際特點，將輸出最小值設置為0 V，最大值為5 V，將輸入最小值設置為-10 V，最大值為10 V，輸入終端方式為參考單端RSE。

NI-DAQmx清除任務函數(shù)（DAQmx Clear Task），用來清除特定的任務。如果任務現(xiàn)在正在運行，那么這個函數(shù)首先中止任務然后釋放掉它所有的資源。一旦一個任務被清除，那么它就不能被使用，除非重新創(chuàng)建它。

NI-DAQmx定時函數(shù)（DAQmx Timing），用來配置定時以用于硬件定時的數(shù)據(jù)采集操作。這包括指定操作如采樣模式（連續(xù)或有限）、為有限的操作選擇用于采集或生成的采樣率，以及在需要時創(chuàng)建一個緩沖區(qū)。本文中只需對采樣模式和采樣率進行設置。

NI-DAQmx啟動任務函數(shù)（DAQmx Start Task），顯式地將一個任務轉換到運行狀態(tài)。在運行狀態(tài)，這個任務完成特定的采集或生成。

NI-DAQmx讀取函數(shù)（DAQmx Read），用于讀取采集進來的數(shù)據(jù)。該函數(shù)的配置需根據(jù)采集的類型（模擬輸入、數(shù)字輸入或計數(shù)器輸入）、虛擬通道數(shù)、采樣數(shù)和數(shù)據(jù)類型。可配置為單點采集（主要用于逐點操作）或者多點采集[5]。本文使用多點采集，且將采樣數(shù)指定為-1，這將使其在執(zhí)行的時候讀取所有現(xiàn)在保存在緩沖中可得的采樣，再使用波形圖表（Waveform Chart）就可以將采集進來的信號連續(xù)實時顯示出來，類似示波器。

由于從壓力測量電路采集后的數(shù)據(jù)和實際的壓差有一定的誤差，所以必須進行校準。連接傳感器的管子上接一個三通接口，一邊接傳感器，一邊接壓差測量表，一邊接氣泵。這樣當氣泵往探頭上面的氣囊充氣加壓時，壓差測量表和采集到Labview中的數(shù)據(jù)進行比較，找到它們之間的關系，經過多次實驗，發(fā)現(xiàn)實際壓差是采集到Labview的數(shù)據(jù)的4.17倍。從而把采集到的數(shù)據(jù)乘以4.17，使其和實際壓差相對應。本文設計一個壓強選取數(shù)據(jù)框，當開關開啟是它的數(shù)值就會變成控制電壓輸出的閾值，當小于該值時輸出高電位（5 V），氣泵工作，當達到該值時輸出底電位（0 V），這樣你只需在數(shù)據(jù)框中輸入數(shù)據(jù)，就可以采集到該壓差下的脈搏波，實現(xiàn)壓力可控制測量。程序的具體實現(xiàn)如圖5所示。

圖5 Labview輸出電壓和壓力控制Fig.5 Labview output voltage and pressure control

3.2 Labview壓力控制脈搏波采集實測

通過該系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在不同壓力下的脈搏波[7]的測量。圖6～圖9是一個25歲的男子在不同壓強差下的脈搏波圖像，該換潰瘍病多年，經常胃部隱痛，泛酸暖氣，飲食少進，體形消瘦，這是病邪在體表的病理現(xiàn)象。當壓強差22 kPa時，就是中醫(yī)中的浮取，壓強差為32 kPa和40 kPa時為中醫(yī)中的中取，壓強差為50 kPa時為沉取。這4幅圖反映壓力從大到小采集到的脈搏波信號，浮取時脈搏波的幅度較大，中取時幅度次之，當沉取時幅度較小，這說明脈圖特征為脈位淺表，輕按即得，重按反小的特點。這符合中醫(yī)常見的28類脈搏的浮脈。浮脈是指脈的搏動部位淺表的脈象，取脈時請按即得，重按時反而不顯的特征。這種采集到脈搏波所反映的狀況和本人的實際情況比較相近，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)壓力控制的脈搏波采集。

圖6 壓強差為22 kPa時采集的脈搏波Fig.6 Pressure difference between the pulse wave acquisition for 22 kPa

圖7 壓強差為32 kPa時采集的脈搏波Fig.7 Pressure difference between the pulse wave acquisition for 32 kPa

圖8 壓強差為40 kPa采集的脈搏波Fig.8 Pressuredifferencebetweenthethepulsewaveacquisitionfor40kPa

圖9 壓強差為50 kPa采集的脈搏波Fig.9 Pressure difference between the pulse wave acquisition for 50 kPa

4 結束語

本文在自行開發(fā)的脈象儀硬件系統(tǒng)基礎上，采用虛擬儀器[8]技術，在Labview中配合硬件電路實現(xiàn)壓力控制脈搏采集系統(tǒng)。詳細介紹了它的硬件電路和Labview軟件控制的具體實現(xiàn)，并通過實例檢驗它的可靠性。通過實例采集不同壓力下的脈搏波形，實驗表明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)壓力的控制，這樣可以讓脈診的指力定量化，這對脈診的進一步研究做出了很大的成就，這樣為以后進行脈搏波采集，采集更多的有用信息，便如對脈搏波進行更一步的研究。

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