NI平臺在醫學電子儀器課程設計中的應用

沈曉燕，章國安，張士兵

(南通大學電子信息學院，江蘇南通 226019)

“醫學電子儀器原理與設計”是工科生物醫學工程專業的一門重要的專業課程［1］，其課程設計是加強專業實踐，培養學生運用理論知識解決醫學電子儀器設計中的實際問題，提高設計技能和培養學生創新能力和綜合實踐能力的重要環節。

NI公司的電子學教育平臺(以下簡稱 NI平臺)，可應用于“醫學電子儀器原理與設計”的課程設計中。該平臺包括Multisim 11.0軟件和ELVIS虛擬儀器教學實驗套件。ELVIS是NI公司于2004年推出的一套基于LabVIEW設計和原型創建的實驗裝置。是一個將硬件和軟件組合成一體的完整的虛擬儀器實驗教學套件，主要包括數據采集硬件和LabVIEW測量軟件。該裝置集成了多個實驗室通用儀器的功能，實現了教學儀器、數據采集和實驗設計一體化，可以進行電子線路設計、信號處理及系統分析與設計［2］。

1 基于NI平臺的課程設計流程

基于NI平臺的課程設計硬件需要一臺可運行LabVIEW的計算機、一根電纜和集成了多功能數據采集卡NI ELVIS的教學實驗操控工作臺;軟件則包括LabVIEW開發環境和一個基于LabVIEW設計虛擬儀器軟件包。基于NI平臺的醫學電子儀器課程設計一般包括以下幾個環節。

(1)學習和熟悉使用NI平臺;

(2)學生根據設計要求，通過查閱資料確定總體設計方案，確定電路結構，選擇合適的元器件，估算元器件的相關參數，并利用Multisim仿真軟件畫出電路原理圖;

(3)進行原理圖仿真，根據仿真結果和系統性能指標微調元器件參數;

(4)根據仿真分析電路圖，領取電路用元器件，在ELVIS提供的面包板上搭建電路，用LabVIEW虛擬儀器對電路進行性能測試;

(5)撰寫醫學電子儀器課程設計報告;

(6)參加答辯。

2 帶通濾波器設計舉例

帶通濾波器是生物醫學電子儀器設計中的重要環節，直接關系到能否有效采集到期望的生物電信號。如生物神經峰電位信號的頻率范圍是50Hz-10kHz，所以在神經信號采集系統中有必要設計一個通帶范圍為50Hz-10kHz的帶通濾波器。

我們采用如下的設計步驟。

(1)確定一個高通濾波器和一個低通濾波器電路結構，并通過理論計算初步確定元器件參數;

(2)利用Multisim創建帶通濾波器電路圖。平臺的顯示屏幕上方是元器件模型庫，右側是儀器儀表庫，屏幕中央用于創建電路圖。將元器件從元件模型庫中拖至屏幕中央，連接形成電路圖。再加上從儀器表庫選出的輸入信號源、監測示波器和觀察帶寬的波特儀。帶通濾波器電路如圖1所示;

圖1 Multisim中帶通濾波器電路圖

(3)設置信號發生器中正弦信號的幅值和頻率參數(如圖2a)，用示波器查看仿真輸出波形(如圖2b)，用波特儀測帶通濾波器的頻率響應特性曲線(如圖2c)。驗證元器件參數設置是否合理，使得帶通頻率范圍為50Hz-10kHz;

圖2 Multisim中帶通濾波器仿真設置及結果

(4)列出原器件清單，在ELVIS提供的面包板上搭建硬件電路。對電路進行性能測試的結果如圖3所示。

圖3基于LabVIEW的頻率特性測試結果

3 結語

本文介紹NI平臺可幫助學生高效、快速進行電路分析與設計。該平臺與其他EDA仿真不同的是，既可避免只用硬件不用仿真技術造成的設計周期長，也避免了只用仿真技術不做實際電路造成的脫離實際的缺點。

［1］ 余學飛，醫學電子儀器原理與設計［M］.廣州，華南理工大學出版社，2000:14-68

［2］ 楊智，袁媛，賈延江.虛擬儀器教學實驗簡明教程—基于Lab-VIEW的NI ELVIS［M］.北京:北京航天航空大學出版社，2008.3