專利名稱：一種可多通道輸出的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)，且特別是一種能由上位機(jī)軟件設(shè)置相關(guān)參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)操作的，可根據(jù)需要選擇和仿真多個(gè)通道相關(guān)生物電信號(hào)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
對(duì)人自身，特別是對(duì)人的健康的關(guān)注和追求，是人類社會(huì)的一個(gè)永恒話題。但是疾病和各種其它外部傷害卻自始至終伴隨著人類社會(huì)的發(fā)展一路走來，給人帶來了痛苦，甚至造成無法挽回的后果。隨著科技的日益發(fā)展，人們開始致力于基于生物電信號(hào)的可植入式系統(tǒng)的研發(fā)，希望借由相關(guān)系統(tǒng)掌握人體內(nèi)的相關(guān)信息，用于健康的監(jiān)護(hù)、疾病的診斷， 并且可從人體內(nèi)部進(jìn)行非手術(shù)式的干預(yù)，實(shí)現(xiàn)健康的維護(hù)和疾病的治療。對(duì)于基于生物電信號(hào)的可植入式系統(tǒng)的研發(fā)而言，一個(gè)無法回避的問題是如何獲取信號(hào)源用于相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的測(cè)試？傳統(tǒng)的方法是采用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。采用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)需要特定的條件和人員， 耗時(shí)且費(fèi)力，不方便，而且對(duì)于某個(gè)階段、某些模塊的開發(fā)也是不需要的。因此，通過簡(jiǎn)便的方式獲取生物電信號(hào)是值得探索的方向之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可多通道輸出的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)，是一種生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)，既可使用在基于生物電信號(hào)的可植入式系統(tǒng)的測(cè)試中，也可應(yīng)用于以生物電信號(hào)為目標(biāo)或與生物電信號(hào)相關(guān)的其它特定領(lǐng)域中。使用該系統(tǒng)能方便地產(chǎn)生適合的生物電信號(hào)，提供給后面的信號(hào)處理系統(tǒng)使用，大大提高了研發(fā)效率。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。一種可多通道輸出的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)，其特征在于包括用于相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和發(fā)送的PC上位機(jī)和用于輸出生物仿真信號(hào)的硬件模塊，所述相關(guān)參數(shù)包括輸出信號(hào)峰峰值、輸出信號(hào)頻率及輸出通道數(shù)；所述硬件模塊包括電源模塊、MCU (微控制單元)控制模塊、PC接口模塊、DAC (數(shù)模轉(zhuǎn)換控制器)模塊、濾波電路模塊。電源模塊分別與MCU控制模塊、PC接口模塊、DAC模塊、濾波電路模塊連接，以提供能量；MCU控制模塊的數(shù)據(jù)輸入端與 PC接口模塊連接，以獲取上位機(jī)所設(shè)置的相關(guān)參數(shù)；MCU控制模塊的數(shù)據(jù)輸出端與DAC模塊的數(shù)據(jù)輸入端連接，以控制DAC模塊按照相關(guān)設(shè)置參數(shù)輸出特定信號(hào)；DAC模塊的信號(hào)輸出端與濾波電路模塊的輸入端連接，以濾除某些高頻干擾。上述的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)中，所述PC接口模塊通過RS232總線與PC上位機(jī)連接。上述的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)中，所述DAC模塊最多可產(chǎn)生8通道輸出信號(hào)，由DAC 芯片通過兩級(jí)級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)成，即第一級(jí)DAC芯片的電壓輸出端與第二級(jí)DAC芯片的參考電壓輸入端連接。第一級(jí)的輸出電壓作為第二級(jí)的參考電壓輸入，通過改變第一級(jí)DAC芯片的待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)來調(diào)整其輸出，從而改變第二級(jí)DAC芯片的參考電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)峰峰值的調(diào)整。
上述的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)中，所述濾波電路采用電阻可調(diào)的有源低通濾波電路，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，獲得合適的濾波性能。本發(fā)明的工作原理如下MCU控制模塊中存儲(chǔ)著生物電信號(hào)的基本數(shù)據(jù)，電腦通過RS232串口與MCU控制模塊進(jìn)行通信，通信中將傳遞3個(gè)重要設(shè)置參數(shù)，分別是輸出信號(hào)峰峰值、輸出信號(hào)頻率和輸出通道數(shù)。參數(shù)的設(shè)置和發(fā)送通過上位機(jī)軟件來執(zhí)行。在工作過程中，MCU控制模塊一方面利用自己的串口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，獲得進(jìn)行控制所需要的參數(shù)，一方面根據(jù)所獲得的設(shè)置參數(shù)輸出相應(yīng)的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)，控制DAC模塊，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的更新。根據(jù)它的任務(wù)特點(diǎn)，MCU控制模塊與上位機(jī)的通信采用中斷方式進(jìn)行，與DAC模塊的通信采用循環(huán)方式進(jìn)行，這樣既可以及時(shí)響應(yīng)上位機(jī)的通信要求，又可以避免耗費(fèi)太多時(shí)間在串口通信上面，影響輸出信號(hào)的頻率。為使輸出信號(hào)的峰峰值可以通過運(yùn)行于上位機(jī)中的上位機(jī)進(jìn)行調(diào)整，必須有兩級(jí)的DAC芯片，其中第一級(jí)的輸出電壓作為第二級(jí)的參考電壓輸入，通過改變第一級(jí)DAC芯片的待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)來調(diào)整其輸出，從而改變第二級(jí)DAC 芯片的參考電壓，達(dá)到調(diào)整輸出信號(hào)峰峰值的目的。輸出通道數(shù)的選擇與輸出信號(hào)頻率的選擇可分別通過DAC芯片的片選信號(hào)、相鄰兩組待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)之間的延時(shí)實(shí)現(xiàn)。由于生物電信號(hào)的峰峰值較小，很容易受到元件內(nèi)部噪聲和外部環(huán)境噪聲的干擾，因此在DAC模塊的輸出端加入可調(diào)整濾波頻率的濾波電路，以得到相對(duì)理想的輸出波形。所述輸出信號(hào)頻率為基本波形的重復(fù)頻率，頻率范圍從20Hz到IOKHz ；所述輸出信號(hào)峰峰值的數(shù)量級(jí)范圍從幾百微伏到幾毫伏；輸出通道數(shù)可選1至8個(gè)通道。所述的可多通道輸出的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)中，硬件模塊通過PC接口模塊獲得上位機(jī)發(fā)送過來的所述參數(shù)后，MCU控制模塊通過延時(shí)參數(shù)的改變實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率的修改，通過DAC芯片兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式中第一級(jí)芯片的輸入碼的改變實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)峰峰值的修改，通過DAC芯片的片選信號(hào)的改變實(shí)現(xiàn)輸出通道數(shù)的修改。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果多數(shù)生物電信號(hào)，比如神經(jīng)信號(hào)、 心電信號(hào)，都是由一個(gè)基本波形不斷重復(fù)而形成的。不同種類生物電信號(hào)的變化主要體現(xiàn)在基本波形的不同以及相鄰基本波形之間的時(shí)間間隔的不同。本發(fā)明可通過改變波形的形狀和峰峰值來模擬生物電信號(hào)的基本波形，通過改變基本波形重復(fù)輸出的頻率來模擬生物電信號(hào)基本波形之間的時(shí)間間隔，從而實(shí)現(xiàn)仿真不同生物電信號(hào)的目的。本發(fā)明使用簡(jiǎn)單， 只需有PC機(jī)就可設(shè)置相關(guān)參數(shù)從而獲得所需要的生物電信號(hào)的仿真信號(hào)，并可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整濾波電路參數(shù)獲得相對(duì)理想的濾波效果。本發(fā)明采用DAC芯片兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行分壓來實(shí)現(xiàn)毫伏級(jí)的微小信號(hào)輸出，消除了傳統(tǒng)的電阻分壓電路引入的內(nèi)部噪聲大、容易將輸出信號(hào)淹沒的缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)的通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)獲得生物電信號(hào)的方式相比，本發(fā)明更加節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用，縮短了研發(fā)周期；與一般的通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生方波、正弦波等規(guī)則的信號(hào)作為測(cè)試用的信號(hào)源相比，本發(fā)明所提供的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)更加接近，所得的測(cè)試結(jié)果更具參考意義。


圖1為所述生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)整體框圖。圖2為圖1所述生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)中的硬件模塊結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為圖2所述硬件模塊中的DAC模塊結(jié)構(gòu)框圖。圖4為圖3所述DAC模塊中的DAC芯片兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)范圍不限于此。圖1所示為所述生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)整體框圖，包括上位機(jī)和硬件模塊兩大部分。上位機(jī)運(yùn)行在PC上位機(jī)上，功能在于設(shè)置所要仿真的生物電信號(hào)的重要參數(shù)并將這些參數(shù)發(fā)送給硬件模塊，硬件模塊根據(jù)所得到的設(shè)置參數(shù)輸出相應(yīng)波形。在上位機(jī)中可以設(shè)置的參數(shù)包括輸出信號(hào)頻率，該頻率為基本波形的重復(fù)頻率，范圍從20Hz到IOKHz ；輸出信號(hào)峰峰值，范圍從幾百微伏到幾毫伏；輸出通道數(shù)，1至8個(gè)通道可選。以上參數(shù)還可根據(jù)實(shí)際需要靈活調(diào)整。圖2所示為所述生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)的硬件模塊結(jié)構(gòu)框圖，包括電源模塊、MCU控制模塊(包括一個(gè)MCU)、PC接口模塊(RS232串行通信接口)、DAC模塊、濾波電路模塊。多數(shù)生物電信號(hào)，比如神經(jīng)信號(hào)、心電信號(hào)，都是由一個(gè)基本波形不斷重復(fù)而形成的。不同種類生物電信號(hào)的變化主要體現(xiàn)在基本波形的不同以及相鄰基本波形之間的時(shí)間間隔的不同。 本發(fā)明通過改變波形的形狀和峰峰值來模擬生物電信號(hào)的基本波形，通過改變基本波形重復(fù)輸出的頻率來模擬生物電信號(hào)基本波形之間的時(shí)間間隔，從而實(shí)現(xiàn)仿真不同生物電信號(hào)的目的。將已經(jīng)提取出來的生物電信號(hào)的基本波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MCU控制模塊中，硬件模塊復(fù)位后，會(huì)根據(jù)默認(rèn)的設(shè)置參數(shù)輸出仿真信號(hào)。倘若需要更改設(shè)置參數(shù)，則可通過上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置并通過RS232總線發(fā)送給硬件模塊。在通過PC接口模塊獲得上位機(jī)發(fā)送過來的控制參數(shù)，即輸出信號(hào)頻率、輸出信號(hào)峰峰值和輸出通道數(shù)后，MCU控制模塊會(huì)通過延時(shí)參數(shù)的改變實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率的修改，通過DAC芯片兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式中第一級(jí)芯片的輸入碼的改變實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)峰峰值的修改，通過DAC芯片的片選信號(hào)的改變實(shí)現(xiàn)輸出通道數(shù)的修改。參數(shù)修改完畢后，硬件模塊將按照新設(shè)置的參數(shù)輸出仿真信號(hào)。圖3所示為所述生物電信號(hào)仿真器的DAC模塊結(jié)構(gòu)框圖，由DAC芯片兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式構(gòu)成，共有8通道輸出。DACl為兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式中的第一級(jí)，DAC2-1至DAC2-8為兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式中的第二級(jí)。其中第一級(jí)DAC芯片的輸出電壓作為第二級(jí)所有DAC芯片的參考電壓輸入。圖4所示即為兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式示意圖，其中a代表自然數(shù)1至8中的任何一個(gè)，也就是說 DAC2-a代表第二級(jí)DAC芯片中的任何一個(gè)。在功能上，DAC芯片的兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式有兩種作用。第一，可直接通過上位機(jī)設(shè)置輸出信號(hào)峰峰值，而不是像傳統(tǒng)的儀器那樣采用旋鈕進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)MCU控制模塊得到從上位機(jī)傳過來的輸出信號(hào)峰峰值參數(shù)后，先通過片選信號(hào)選中圖4中的DACl，然后依據(jù)參數(shù)選擇對(duì)應(yīng)的待轉(zhuǎn)換碼發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DACl，并啟動(dòng)DACl的數(shù)模轉(zhuǎn)換過程，轉(zhuǎn)換完畢后，DACl的輸出信號(hào)便相應(yīng)更新，因?yàn)镈ACl的電壓輸出端與DAC2-a的參考電壓輸入端相連接，所以DAC2-a的參考電壓也相應(yīng)改變，從而DAC2_a 的輸出信號(hào)峰峰值就依據(jù)所設(shè)置的參數(shù)發(fā)生了變化。第二，生物電信號(hào)峰峰值較小，通常為毫伏級(jí)，可能的做法之一是將數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出信號(hào)通過電阻構(gòu)成的分壓電路以獲得足夠小的信號(hào)，但是采用分立元件所構(gòu)成的電路的內(nèi)部噪聲大，容易將輸出信號(hào)淹沒。如果采用DAC芯片兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式就可通過高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的降格使用實(shí)現(xiàn)分壓的功能，從而避免因?yàn)殡娮璺謮弘娐返囊霂淼母蓴_。例如，芯片DACl與DAC2-a均為12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其滿量程待轉(zhuǎn)換碼的值為212 -1= 4095，倘若我們?cè)诰幋a時(shí)將DACl當(dāng)成8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，將其滿量程待轉(zhuǎn)換碼的值當(dāng)成只有28 -1= 255，則相當(dāng)于對(duì)DAC2-a的輸出信號(hào)進(jìn)行了 1 :24的分壓，變?yōu)樵瓉淼?/16，如果在編碼時(shí)也將DAC2-a當(dāng)成8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片使用，則相當(dāng)于又對(duì)DAC2-a的輸出信號(hào)進(jìn)行了 1 :24的分壓，進(jìn)一步變?yōu)樽畛跣盘?hào)的 1/256。采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)的方式既可保證有足夠?qū)挼姆謮悍秶?，又可使?shù)模轉(zhuǎn)換芯片能有足夠的位數(shù)將一定數(shù)量的待轉(zhuǎn)換碼區(qū)分開來，減小由此而產(chǎn)生的基本波形的變化。
綜上所述，本發(fā)明能通過上位機(jī)上位機(jī)設(shè)置的參數(shù)，方便地產(chǎn)生峰峰值小至毫伏級(jí)的生物電信號(hào)，相較于傳統(tǒng)方法更加省時(shí)省力，大大提高了效率。
權(quán)利要求
1.一種可多通道輸出的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)，其特征在于包括用于相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和發(fā)送的PC上位機(jī)和用于輸出生物仿真信號(hào)的硬件模塊，所述相關(guān)參數(shù)包括輸出信號(hào)峰峰值、輸出信號(hào)頻率及輸出通道數(shù)；所述硬件模塊包括電源模塊、MCU控制模塊、PC接口模塊、 能產(chǎn)生8通道輸出信號(hào)的DAC模塊、濾波電路模塊；電源模塊分別與MCU控制模塊、PC接口模塊、能產(chǎn)生8通道輸出信號(hào)的DAC模塊、濾波電路模塊連接；MCU控制模塊的數(shù)據(jù)輸入端與PC接口模塊連接，以獲取PC上位機(jī)所設(shè)置的相關(guān)參數(shù)；MCU控制模塊的數(shù)據(jù)輸出端與所述DAC模塊的數(shù)據(jù)輸入端連接，以控制所述DAC模塊按照相關(guān)設(shè)置參數(shù)輸出仿真信號(hào)；所述DAC模塊的信號(hào)輸出端與濾波電路模塊的輸入端連接，以濾除高頻干擾。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可多通道輸出的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述PC 接口模塊通過RS232總線與PC上位機(jī)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可多通道輸出的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述DAC 模塊由DAC芯片通過兩級(jí)級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)成，第一級(jí)DAC芯片的電壓輸出端與第二級(jí)DAC芯片的參考電壓輸入端連接；第一級(jí)的輸出電壓作為第二級(jí)的參考電壓輸入，通過改變第一級(jí)DAC芯片的待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)來調(diào)整其輸出，從而改變第二級(jí)DAC芯片的參考電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)峰峰值的調(diào)整。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可多通道輸出的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述DAC 模塊的第一級(jí)DAC芯片包括一個(gè)DAC芯片；第二級(jí)DAC芯片包括8個(gè)DAC芯片，每個(gè)DAC芯片對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可多通道輸出的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述濾波電路采用電阻可調(diào)的有源低通濾波電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可多通道輸出的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)，其特征在于所述輸出信號(hào)頻率為基本波形的重復(fù)頻率，頻率范圍從20Hz到IOKHz ；輸出通道數(shù)可選1至8個(gè)通道。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 6任一項(xiàng)所述的可多通道輸出的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)，其特征在于硬件模塊通過PC接口模塊獲得上位機(jī)發(fā)送過來的所述參數(shù)后，MCU控制模塊通過延時(shí)參數(shù)的改變實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率的修改，通過DAC芯片兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式中第一級(jí)芯片的輸入碼的改變實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)峰峰值的修改，通過DAC芯片的片選信號(hào)的改變實(shí)現(xiàn)輸出通道數(shù)的修改。
全文摘要
本發(fā)明公開一種可多通道輸出的生物電信號(hào)仿真系統(tǒng)，包括PC上位機(jī)和硬件模塊，上位機(jī)用于相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和發(fā)送；硬件模塊包括電源模塊、MCU控制模塊、PC接口模塊、DAC模塊、濾波電路模塊。MCU控制模塊一方面通過PC接口模塊與上位機(jī)通信，以獲取相關(guān)參數(shù)，一方面控制DAC模塊按照相關(guān)參數(shù)輸出特定信號(hào)；DAC模塊采用兩級(jí)級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)峰峰值的控制和分壓的功能；濾波電路用來濾除某些高頻干擾，其濾波頻率可調(diào)。本發(fā)明可根據(jù)需要選擇和仿真多個(gè)通道相關(guān)生物電信號(hào)。本發(fā)明采用DAC芯片兩級(jí)級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行分壓來實(shí)現(xiàn)毫伏級(jí)的微小信號(hào)輸出，消除了傳統(tǒng)的電阻分壓電路引入的內(nèi)部噪聲大、容易將輸出信號(hào)淹沒的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102323980SQ201110240858
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月22日
發(fā)明者劉漢華, 吳朝暉, 李斌, 李顯博 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)