《生物医学测量与仪器》课程第八章(new)

BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG第八章第八章微机化医学仪器设计微机化医学仪器设计本章提要：本章提要：4.4.基于虚拟仪器技术的医学仪器基于虚拟仪器技术的医学仪器3.3.专用微机化医学测量仪器专用微机化医学测量仪器2.2.计算机辅助医学测量计算机辅助医学测量1.1.概概述述BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG§§1.1.概概述述一、模拟式仪器、数字式仪器和微机化仪器发展演变一、模拟式仪器、数字式仪器和微机化仪器发展演变1.1.模拟式仪器模拟式仪器第一代仪器是模拟式仪器。它由模拟电路来实现其功能。厂家按仪器的预定功能，用模拟器件组成各种电路，用传感器和测量电极拾取的模拟电信号进行各种变换，显示及记录。它精度低、速度慢、仪器功耗大、适应性差。2.2.数字式仪器数字式仪器第二代仪器是数字式仪器。主要由数字电路来实现其功能，在测试精度、速度和仪器寿命方面比模拟式仪器都有较大的提高。3.3.微机式仪器微机式仪器七十年代以来，随着信号数字处理理论及大规模集成电路的发展，出现了以微机为核心的微机化仪器。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。随着微处理器在体积小、功能强、价格低等方面的进展，电子测量仪器和计算机技术结合愈加紧密，形成一种全新的以微机数字化处理为特征的仪器，即“微机化仪器”或称“智能仪器”。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG二、微机化医学仪器的组成二、微机化医学仪器的组成1.1.信号调理信号调理信号调理的主要目的是将传感器拾取的模拟信号转换成适合于数字处理的形式，它一般包括四个部分：(1)对远距离送来的调制信号进行解调。(2)对信号进行放大或衰减，以适应模数转换器（ADC）的工作范围。(3)抗混频和抗干扰滤波。按ADC所允许的采样频率将模拟信号中的高频分量滤掉，避免数字处理时产生混频和干扰。(4)隔离或保留信号中的直流分量。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG2.2.信号采集信号采集信号采集是将预处理后的模拟信号转换为数字信号，它的核心部件是模数转换器（A/D）。3.3.数字信号处理数字信号处理它从数字信号中提取各种有用的信息，是微机化测试分析仪器的核心。按所用的处理器，可将测试分析仪分为专用微机型和通用微机型。（1）专用微机型：专用微机或微处理器按仪器的特定功能设计或选用，以减少成本和满足专用要求。有的还增加专用数字处理芯片以完成特定的数字运算。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG（2）通用微机型：通用微机型测试分析仪以通用微机（单片机或PC机）为主来进行数字信号处理。理论上，使用者可以任意扩充通用微机型测试分析仪的功能，仪器中的微机也可作它用。4.4.显示记录及通信显示记录及通信分析结果可用数据、图表、图形、报警等方式显示，亦可记录在磁盘或可擦写寄存器EPROM内。如果配有通信接口，可与其它微机通信。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG微机化仪器的主要优点：微机化仪器的主要优点：(1)微机化仪器使用键盘键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关来对仪器的控制控制，从而使仪器面板的布置和仪器内部有关部件的安排不再相互限制和牵连。并且具有复杂的数据输入功能。(2)微处理器的运用微处理器的运用极大地提高了仪器的性能。例如智能仪器利用微处理器的运算和逻辑判断功能，按照一定的算法可以方便地消除由于硬件拼接等因素所引起的误差、是绝对的数学运算绝对的数学运算，从而提高了仪器的测量精度。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG(3)微机化测量仪器可用软件对传感器和测量环境引起的非线性误差进行修正非线性误差进行修正；12位、16位以及更高位数的模数转换，高精度时钟控制和足够字长位数的数值运算，可使测试分析结果达到极高的幅值精度、频率精度和数据分辨率。微机化测试分析仪器由标准芯片构成的硬件和软件组成，而大规模生产的硬件保证了高可靠性和高可靠性和稳定性，稳定性，软件运行具有绝对的重现性绝对的重现性。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG(4)数字化仪器运用微处理器的控制功能，可以方便地实现量程自动转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自诊断等功能，有力地改善了仪器的自动化测量水平。(5)数字化仪器一般都配有GP-IB、RS-232、USB等接口，使数字化仪器具有可程控操作的能力。从而可阻很方便地与计算机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG人体的各种物理量，如生物电位、心音、体温、血压、血流、肌电、脑电、神经传导速度等，采用各种传感器将其变成电信号，经由诸如放大、滤波、干扰抑制、多路转换等信号检测及预处理电路，将模拟量的电压或电流送模/数转换器（A/D），变成适合于微处理机使用的数字量供系统处理。同样，微处理器处理后的数据往往又需要使用数/模转换器（D/A）及适应的接口将其变换成模拟量送出。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTGBiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG心电血压血流体温脑电电极导联u1信号调理U1压力传感u2信号调理U2血流换能u3信号调理U3温度传感u4信号调理U4脑电电极u5信号调理U5多功能切换开关采保A/D计算机数码管CRT显示打印机绘图仪输出设备数字I/OD/A模拟信号输出BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG微处理器MPU程序存储器(ROM)数据存储器(RAM)内部总线主机电路I/O接口键盘显示接口标准仪用通信接口A/D转换器D/A转换器输入电路模拟执行器被测量键盘显示外部仪用标准总线模拟量输入输出人机接口通信接口微机化仪器通用结构框图BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTGBiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG传感器传感器传感器采样/保持采样/保持多路模拟开关控制器A/D缓冲器总线A/D总线传感器多路模拟开关总线放大采样/保持控制器A/D采样/保持A/D采样/保持A/D采样/保持A/D总线传感器输入并行输入口a)b)c)d)..................三态缓冲器BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTGBiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG数字化仪器的设计要点：数字化仪器的设计要点：数字化仪器是以微处理器为核心的电子仪器，它不仅要求设计者熟悉电子仪器的工作原理，而且还要求掌握微型计算机硬件和软件的原理。因而其设计不能完全沿用传统电子仪器的设计方法和手段。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG设计、研制微机化仪器的一般过程：设计、研制微机化仪器的一般过程：11、确定设计任务、确定设计任务22、拟制总体设计方案，选择适用的微处理器芯片。、拟制总体设计方案，选择适用的微处理器芯片。微处理器是整个仪器的核心部件，它直接影响整机的硬件和软件设计，并对数字化仪器的功能、性能价格比以及研制周期起着决定的作用。因此在设计任务确定之后，首先应对微处理器进行选择。33、确定仪器工作总框图、确定仪器工作总框图44、硬件电路和软件的设计、制作与调试、硬件电路和软件的设计、制作与调试55、整机联调、整机联调BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG§§2.2.计算机辅助医学测量计算机辅助医学测量典型的计算机辅助医学测量系统，其微机部份由模拟输出子系统，信号采集子系统及通信接口所组成。实际应用中，不一定都包含这三部分，但信号采集部分是必须的。一、信号采集子系统一、信号采集子系统由模数转换器ADC、多路模拟开关（MUX）和采样保持电路组成，其核心部分是ADC。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG1.1.模数转换（模数转换（A/DA/D））　A/D是将模拟信号转换为数字信号，它包括采样和量化两个步骤。（1）采样采样是将连续时间信号转换成一定时间间隔的一系列离散值，一般按等时间间隔△t采样。（2）量化量化是将每个采样点的信号幅值与一组离散电平值相比较，以昀接近的电平代替该幅值，代替该幅值电平的二进制数码就是编码。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG（3）实现A/D转换的方法实现A/D转换有多种方法，主要有逐次逼近式、积分式和并行式。①积分式是将被测信号在一时间间隔内的积分值（均值）作为采样值，能较好抑制外界电磁场对被测信号的干扰，但转换速度较低。②逐次逼近式直接抽取被测信号瞬时值，对ADC的各位逐次比较得到采样值，转换速度较高，但抗干扰的能力较低。③并行式对ADC的各位同步比较，转换速度极高，每秒可达一亿次以上。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG2.2.多路模拟开关（多路模拟开关（MUXMUX））对来自多个传感器的多路信号，若允许以一定的时差进行采集，可用多路模拟开关，轮流切换各路信号，分时输入到共用的ADC进行A/D转换。3.3.采样保持电路（采样保持电路（S/HS/H））在A/D转换期间，应保证ADC的输入信号值不变，这由采样保持电路来实现。单路或多路信号同步采集快速变化的信号时，都必须有采样保持器。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG4.4.数据采集控制数据采集控制信号采集各个数据时，均需要精确定时，不少数据采集卡或ADC芯片内设有高精度晶振作为独立时钟，可独立或与PC机的CPU共同控制各个动作。ADC的启动一般有脉冲启动和电平启动两种形式。A/D转换结束时，ADC会输出转换结束信号，对不高速的ADC，CPU一般采用下列三种方式和ADC联络：（1）程序查询方式；（2）中断方式；（3）固定延迟程序方式。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG二、二、PCPC机的机的ADCADC插卡插卡ADC插卡插入PC机主板的扩充插槽，即可实现与PC机通信。PC机主板上的多个扩充插槽，按对外数据总线标准分类，主要有16位的AT总线插槽（亦称ISA工业标准总线），32位的PCI总线插槽及笔记本式PC的MCIA总线。ADC插卡对各种PC机具有通用性。对即插即用（P&P）的ADC插卡，Windows操作系统会自动查找ADC插卡并引导装入ADC驱动程序。对非即插即用ADC插卡，产品用户手册一般会指导设置该卡的I/O基地址，附有采集程序示例。ADC的模拟输入一般均提供了单端和双端信号两种输入方式和地线，要根据所测信号正确联接输入。BiomedicalMeasurementandInstrumentation-LTG开发这类仪器需要具备的相关知识：开发这类仪器需要具备的相关知识：1.模拟电子电路和数字电子电路相关知识；2.PC计算机组成原理及相应硬件知识,包括ISA总线、PCI总线、USB接口和所使用的相关总线，所使用的A/D、D/A、I/O插卡等知识；3.8086(包括80286、80386、80486等80X86)MASM汇编语言，C＋