基于LabVIEW的中醫(yī)脈象儀設(shè)計

【摘要】脈象信號是反映人體機能的重要參數(shù)，在人體的生命監(jiān)護中有極其重要的參考價值。本文提出一種基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)為平臺，以單片機作為核心控制器件，用壓阻式傳感器件采集數(shù)據(jù)，以及放大、濾波信號調(diào)理電路，實現(xiàn)計算機實時顯示采集得到的脈象信號，能夠快速給出脈象信號特征及診斷結(jié)果。本系統(tǒng)可實時、連續(xù)、長時間的采集人的脈象信號，具有實用價值。

【關(guān)鍵詞】脈象信號信號處理串行通信LabVIEW

脈診是我國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)四診中最具特色的診斷方法，由于它特有的科學(xué)內(nèi)涵和久經(jīng)考驗的客觀效果，使其歷經(jīng)數(shù)千年而不衰。然而當現(xiàn)代先進的科學(xué)技術(shù)促進西方醫(yī)學(xué)，特別是診斷醫(yī)學(xué)及設(shè)備飛速發(fā)展的新形勢下，中國的脈學(xué)理論和方法卻少有突破，缺乏時代氣息，脈診客觀化研究已成為中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)學(xué)的重大科學(xué)課題。。本文針對脈象信號的采集和處理問題，利用光敏二極管采集，并對轉(zhuǎn)化的初始光電信號進行調(diào)理，設(shè)計由儀用放大器構(gòu)成的前置放大電路。本文提出將信號放大濾波后送入MSP430G2553單片機中，采用虛擬儀器技術(shù)，利用LabVIEW作為脈象信息顯示及處理的平臺，可以實時顯示采集信號的直觀信息，同時軟件中豐富的數(shù)據(jù)處理包可以分析出信號的幅度、頻率等信息。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

人體的脈象有6道，我們要把這6道脈象信號全都提取出來，以便對其進行觀察和比較。如果每個脈象信號都有自己的放大電路和A / D轉(zhuǎn)換電路，那么就要求這些放大電路和A / D轉(zhuǎn)換電路的性能參數(shù)相同，但是要做到這一點非常困難，幾乎是做不到的，因此我們采用單個通道循環(huán)采集的辦法。具體做法是六路脈象信號共用一路放大電路和A / D轉(zhuǎn)換電路，我們用模擬通道選擇開關(guān)CD4051來對脈象信號進行選擇，同時利用單片機來控制這個選擇開關(guān)，實現(xiàn)對六路脈象信號的循環(huán)采集，具體如圖1所示：

二、系統(tǒng)實現(xiàn)

整個系統(tǒng)包括以下幾個部分：壓阻傳感器的信號采集模塊、前級信號放大調(diào)理模塊、單片機控制部分以及計算機中LabVIEW的實時顯示處理模塊。

2.1壓阻傳感器

在脈象信號采集過程中要求傳感器體積小、靈敏度高、固有頻率高。半導(dǎo)體壓阻式壓力傳感器具有靈敏度高、高精度、體積小、動態(tài)響應(yīng)快等特點，所以選擇壓阻式傳感器方案，并且采用恒流源供電，電路圖如2圖所示：

2.2前置放大電路

前最級主要考慮噪聲、輸入阻抗和共模抑制比三項的影響，選用精密儀用放大器INA114。這里設(shè)計的電路，組成由三部分：輸入緩沖、高頻濾波和儀用放大器。TLC2254是滿電源幅度輸出的運放，它在輕負載下的最大輸出電壓幾乎等于電源電壓幅度，作為電壓跟隨器，RC低通濾波電路組成高頻濾波器。電路圖如圖3所示：

2.4后級放大電路

根據(jù)脈搏信號特點，信號應(yīng)被放大1000倍后進入A/D，前置級放大了10倍，再次需再次放大100倍，考慮到放大器的性能問題，再用兩級放大形式。前一級放大10倍電容C的作用使整個模塊有了低通（截止頻率100Hz）的功能，不僅可以去除信號中的高頻干擾，還由于其超前的補償作用，對有效信號中的高頻部分進行了相位補償。后一級可實現(xiàn)增益調(diào)節(jié)，放大范圍2-10.另外由于后面ADC0809對于輸入的模擬信號幅值有一定的要求（0—5V），需要對經(jīng)信號調(diào)理后的電壓號進行限幅。

2.5單片機與計算機的通信

系統(tǒng)中，該單片機通過串口與計算機進行通信，它能夠接收計算機發(fā)出的控制命令，并且負責向計算機發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。

其中MAX232A是由美國MAXIM公司生產(chǎn)，包含兩路驅(qū)動和接收器的RS一232轉(zhuǎn)換芯片。芯片內(nèi)部有一個電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的+5V電壓轉(zhuǎn)換為RS一232接口所需的10V電壓。圖中，PC DB 9是微機的9針串口，其中第二腳是接收數(shù)據(jù)端口，第三腳是發(fā)送數(shù)據(jù)端口，第五腳是信號接地端。這里采用了三線連接串口：計算機的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1單片機程序

在系統(tǒng)中，單片機作為一個核心的控制部件，主要完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)向上位機發(fā)送的工作，其中定時采樣頻率是由定時器0的常數(shù)自動裝載8位計數(shù)器的方式產(chǎn)生的；波特率由定時器l的方式1產(chǎn)生。可以對單片機編程，讓控制信號在000-101之間循環(huán)，這樣就可以做到對六路脈象信號的循環(huán)采集，人的脈搏的頻率是很低的，一般都達不到100Hz，而A/D轉(zhuǎn)換電路的采樣速率是6.25KHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，對脈象信號進行循環(huán)采集不會影響脈象信號的恢復(fù)，可以不失真的還原出六路脈象信號。這樣，經(jīng)過模擬通道選擇開關(guān)CD4051的選擇，出來的只有一路脈象信號，也就是只用一路放大電路和一路A / D轉(zhuǎn)換電路就可以對脈象信號進行放大處理和采集。

3.2LabVIEW脈象顯示及診斷

本系統(tǒng)采用的是LabVIEW8.5版本軟件，對一般動態(tài)測試技術(shù)中往往需要將時域信號變換到頻域上加以分析，對信號進行FFT變換和分析可以獲得信號包含的頻率成分以及頻率范圍幅值分布和能量分布，如圖5所示。

四、結(jié)束語

本文設(shè)計的一個以LabVIEW為平臺，利用單片機進行前端微弱脈象信號采集，通過串口實現(xiàn)與計算機的數(shù)據(jù)通信，實際制作了整個硬件電路，并利用LabVIEW強大的信號分析與處理功能開發(fā)了一套微弱脈象信號采集和處理系統(tǒng)。實驗過程中，整個系統(tǒng)能可靠運行，LabVIEW表現(xiàn)了很好的靈活性。該系統(tǒng)的突出特點是利用LabVIEW采集和處理微弱信號，充分發(fā)揮了軟件的上層應(yīng)用程序優(yōu)勢，縮短了開發(fā)周期；同時圖形化的設(shè)計簡單易懂，便于操作控制，可以擴展為更多的系統(tǒng)所使用。

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