专利名称：高速多路同步针灸体表电信号采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高速多路同步针灸体表电信号采集系统，可以同时对脑电，心电 和肌电信号进行采集。
背景技术：
目前体表电信号采集系统的一般结构如图1所示。此类采集系统实现多路同步采集的关键是每路经过调理的体表电信号先通过T/H采样保持器9，然后经过由微处理器5控 制的多路模拟开关10后，被模数转换器11将模拟量转化为数字量，最后由微处理器5将采 集结果经由RS232模块12上传至上位机显示并存储。这样的系统存在以下的不足1、采样速率不高采样保持器的孔径时间、多路模拟开关的切换速度和通道切换 的稳定时间限制了采样的频率，难以完成高频体表电信号的采集；2、测量精度不高多路模拟开关的导通电阻以及通道切换的抖动，都会影响体表 电信号的测量；3、采集的通道数低目前，大部分体表电信号采集设备的采集通道数多为16通道 以内，这对针灸中人体经络与传导的研究带来诸多不便；4、使用不方便现在没有专为针灸研制的多路体表电信号采集系统，不少科研单 位在进行针灸实验时，需要同时配备心电检测设备，脑电检测设备以及肌电检测设备，致使 设备众多，操作不便；5、采集通道数固定，扩展困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速多路同步针灸体表电信号采集系统，弥补目前国内 没有专用的针灸体表电信号记录仪器的空白，实现针灸体表电信号的高速多路同步采集。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种高速多路同步针灸体表电信 号采集系统，其中该系统包括有相互电连接的采集板、系统采集与控制板、USB数据传输 引擎以及上位机软件；所述采集板为相互电连接的多块相同的体表电信号的采集板，每块 采集板包括有相互电连接的过压保护电路、滤波电路、放大电路模块及数据获取系统DAS， 采集板通过过压保护电路、滤波电路、放大电路，将体表电信号转换成采集所需的调理后信 号；该信号经过由微控制器MCU控制的数据获取系统DAS转换为数字信号，并暂存在系统 采集与控制板的FIFO存储器之中，然后FIFO存储器中存储的数字信号通过微控制器MCU 操作的USB数据传输引擎上传至上位机软件；最后上位机软件将收到的数据显示并存储为 ASCII编码系统文件。本发明的有益效果是1、该系统填补了目前国内没有专用的针灸电信号记录仪 器的空白；2、简化了目前的体表电信号采集系统的结构，采用更少的器件实现了高速、多 路、同步采集并提高了采集系统的采样频率上限；3、采集通道数目扩展方便，每增加一块采 集板就会增加四路采集通道；4、每块采集板的放大倍数可根据实际需求软件设定；5、采用USB2. O传输引擎代替传统的RS232传输，极大的提高了数据的上传速度。该采集系统具有 较高的采样频率(每通道可达20KHz)，测量精度高，采集通道数目扩展方便，最高达256路 的采集通道。该采集系统的软件可设定各采集板的放大倍数，同时可以采集多种体表电信 号，如脑电、心电、肌电等。
图1为传统体表电信号采集系统的结构图；
图2为本发明的体表电信号采集系统的结构简图；图3为本发明的体表电信号采集系统整体结构图。图中1、采集板2、系统采集与控制板3、USB数据传输引擎4、上位机5、微处理器6、可编 程通用接口 7、FIFO存储器8、普通输入输出接口 9、采样保持器10、多路模拟开关11、模数 转换器12、RS232模块13、过压保护电路14、滤波电路15、放大电路16、系统DAS 17、 逻辑控制模块18、比较器19、逐次逼近寄存器SAR20、数模转换模块21、RAM存储器
具体实施例方式下面结合附图及具体实例对本发明的高速多路同步针灸体表电信号采集系统作 进一步说明。高速多路同步针灸体表电信号采集系统，该系统包括有相互电连接的采集板 1、系统采集与控制板2、USB数据传输引擎3以及上位机软件4 ；所述采集板1为相互电连接 的多块相同的体表电信号的采集板，每块采集板1包括有相互电连接的过压保护电路13、 滤波电路14、放大电路15模块及数据获取系统DAS16，采集板1通过过压保护电路13、滤波 电路14、放大电路15，将体表电信号转换成采集所需的调理后信号；该信号经过由微控制 器MCU5控制的数据获取系统DAS16转换为数字信号，并暂存在系统采集与控制板2的FIFO 存储器7之中，然后FIFO存储器7中存储的数字信号通过微控制器MCU5操作的USB数据 传输引擎3上传至上位机软件4 ；最后上位机软件4将收到的数据显示并存储为ASCII编 码系统文件。所述的上位机软件4通过由电脑连接到系统采集与控制板2的USB连接线将多块 采集板1的放大倍数下载到系统采集与控制板2的RAM中，系统采集与控制板2根据这些 放大倍数设定IO 口的输出值，从而控制采集板1上的可编程增益放大器PGA的放大倍数， 使高速多路同步针灸体表电信号采集系统可以同时采集脑电，心电以及肌电不同幅值的生 理电信号，所述采集板1的体表电信号为uV级的电信号。所述多块采集板1能够多达64块，均与采集与控制板2通过数据总线和控制总线 连接，采集通道数能够扩展至256路。所述USB数据传输引擎3采用USB2. 0方式与上位机 软件4进行通讯，以USB协议的控制传输和块传输为数据传输方式，高速多路同步针灸体表 电信号采集系统的采样通道数可以扩展至256路，各路采样频率能够达到20KHz。所述上位 机软件4采用Visual C++编写的软件，应用EZ-USB提供的通用驱动程序，实现多路针灸体 表电信号采集系统的基本参数设定、数据的实时显示与记录。本发明的高速多路同步针灸体表电信号采集系统功能是这样实现的
一、信号的调理_采集-上传_显示和记录的整体实现如图2所示，脑电、心电以及肌电等体表电信号通过体表电极连接到体表电信号 采集板1上，经过过压保护电路13，滤波电路14，放大电路15等处理得到调理后信号，再由 微处理器5控制的数据获取系统DAS16将调理后的信号转换为数字信号，并存储在控制板 的FIFO存储器7中，然后通过USB数据传输引擎3上传到上位机软件4，并在上位机中显示 和存储，从而实现整个体表电信号的调理_采集-上传_显示和记录过程。二、高速多路同步针灸体表电信号采集系统的总体结构 如图3所示，此高速多路同步针灸体表电信号采集系统该系统包括4个部分体表 电信号的采集板1、系统采集与控制板2、USB数据传输引擎3以及上位机软件4。体表电信 号采集板1用于体表电信号的滤波，放大和整形，将uV级的体表电信号转换成满足数据获 取系统DAS16输入范围的调理后信号；系统采集与控制板2用于控制各块采集板同时进行 模数转换，并将转换后的采样数据依次读取到微控制器MCU5的先入先出FIFO存储器7中； USB数据传输引擎3用于将暂存在FIFO存储器7中的采样数据通过USB引擎上传到上位 机中；上位机软件4用于设定采样参数，控制USB数据上传过程，存储和显示采集数据的结 果。其中，体表电信号的采集板1部分可以根据实际的需要进行扩展，增加采样的通道数。体表电信号经由采集板1的过压保护电路13，滤波电路14，放大电路15等模块后 转换成采集所需的调理后信号；调理后的信号经过由微控制器M⑶5通过可编程通用接口 6 和普通输入输出接口 8，所控制的数据获取系统DAS16转换为数字信号并暂存在系统采集 与控制板2的FIFO存储器7之中，然后FIFO存储器7中存储的数字信号通过微处理器5 控制的USB数据传输引擎3上传至上位机软件4 ；最后上位机软件4将收到的数据显示并 存储为ASCII编码的系统文件。三、高速采集如图3所示，本系统去掉了分立的采样保持器9和多路模拟开关10转而利用数 据获取系统DAS16实现高速同步采集。在DAS系统中逻辑控制模块17控制采样保持器同 时对输入信号进行采样保持，然后再控制多路模拟开关10依次将各通道的信号引入到比 较器18中，将输入信号和数模转换模块20的输出值进行比较，当输入信号和数模转换模 块20的输出值相等时，逐次逼近寄存器SAR 19将结果存入到RAM存储器21中，从而实现 了体表电模拟信号到数字信号的转换。分立的采样保持器和多路模拟开关等器件被集成 为系统DAS16，可以大大降低由通道切换时间和稳定时间所限制的采样频率上限和其引起 的扰动，从而实现了高精度的多路，同步高速采集。本采集系统目前每路的采样频率能达 到20kHz (按14位计算)，依据采样定理，理论上能采集的信号最高频率为10kHz。而以目 前传统的由采样保持器和多路模拟开关经由单路AD构成的数据采集系统为例，假设采样 保持器芯片为AD582，根据AD582的孔径时间，可以计算得到每路达到的最高采样频率仅为 194Hz，按14位AD计算，理论上能采集的信号最高频率为97Hz。可见，本系统明显优于常规 的数据采集系统。四、高度集成、扩展方便本系统可以通过扩充体表电信号的采集板1来方便的扩展采集通道数目，并且每 块采集板可以根据实际的采集需要来软件设定放大倍数，所以本系统可以根据需要同时采 集脑电，心电和肌电等体表电信号。
五、多路高速传输 如图3所示，每四通道的体表电信号进入一块体表电信号采集板1，所有的采集板 共用数据总线和控制总线。微处理器5通过控制各块采集板1依次将采集到的数据读取到 FIFO存储器7中，这个读取数据的时间为纳秒级，较之AD转换过程基本可以忽略。假设USB 最高传送速率为480Mb/s，利用64块采集板，可实现256路的高速同步采集，每通道的采样 频率可高达20KHz。
权利要求
一种高速多路同步针灸体表电信号采集系统，其特征是该系统包括有相互电连接的采集板(1)、系统采集与控制板(2)、USB数据传输引擎(3)以及上位机软件(4)；所述采集板(1)为相互电连接的多块相同的体表电信号的采集板，每块采集板(1)包括有相互电连接的过压保护电路(13)、滤波电路(14)、放大电路(15)模块及数据获取系统DAS(16)，采集板(1)通过过压保护电路(13)、滤波电路(14)、放大电路(15)，将体表电信号转换成采集所需的调理后信号；该信号经过由微控制器MCU(5)控制的数据获取系统DAS(16)转换为数字信号，并暂存在系统采集与控制板(2)的FIFO存储器(7)之中，然后FIFO存储器(7)中存储的数字信号通过微控制器MCU(5)操作的USB数据传输引擎(3)上传至上位机软件(4)；最后上位机软件(4)将收到的数据显示并存储为ASCII编码系统文件。
2.根据权利要求1所述的采集系统，其特征是所述的上位机软件(4)通过由电脑连接到系统采集与控制板(2)的USB连接线将多块采集板(1)的放大倍数下载到系统采集与 控制板⑵的MM中，系统采集与控制板(2)根据这些放大倍数设定IO 口的输出值，从而 控制采集板(1)上的可编程增益放大器PGA的放大倍数，使高速多路同步针灸体表电信号 采集系统可以同时采集脑电，心电以及肌电不同幅值的生理电信号。
3.根据权利要求1所述的采集系统，其特征是所述多块采集板(1)能够多达64块， 均与采集与控制板(2)通过数据总线和控制总线连接，采集通道数能够扩展至256路。
4.根据权利要求1所述的采集系统，其特征是所述USB数据传输引擎(3)采用USB2.0 方式与上位机软件(4)进行通讯，以USB协议的控制传输和块传输为数据传输方式，高速多 路同步针灸体表电信号采集系统的采样通道数可以扩展至256路，各路采样频率能够达到 20KHz。
5.根据权利要求1所述的采集系统，其特征是所述上位机软件(4)采用VisualC++ 编写的软件，应用EZ-USB提供的通用驱动程序，实现多路针灸体表电信号采集系统的基本 参数设定、数据的实时显示与记录。
6.根据权利要求1所述的采集系统，其特征是所述采集板(1)的体表电信号为uV级的电信号。
全文摘要
本发明公开一种高速多路同步针灸体表电信号采集系统，该系统包括有体表电信号采集板，用于体表电信号的滤波，放大和整形，将微弱的体表电信号转换成满足模数转换器输入范围的信号；系统采集与控制板用于控制各块采集板进行同步采集，并将转换后的采样数据依次读取到微处理器的先入先出存储器FIFO中；USB数据上传部分用于将暂存在FIFO中的采样数据通过USB引擎上传到上位机中；上位机用于设定采样参数，控制USB数据上传过程和存储、显示采集数据的结果。本发明简化了目前体表电信号采集系统的结构，使用更少的器件实现了多种体表电信号的高速、多路、同步采集并提高了采集系统的采样频率上限，填补了国内没有专门的针灸电信号记录仪器的空白。
文档编号A61B5/04GK101836857SQ20101016031
公开日2010年9月22日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者李诺, 王江, 罗昔柳, 边洪瑞, 邓斌 申请人:天津大学