高速多路同步针灸体表电信号采集系统 【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USB2.0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。
【附图说明】
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MCU5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。