專利名稱：一種可多通道輸出的生物電信號仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種生物電信號仿真系統(tǒng)，且特別是一種能由上位機軟件設置相關(guān)參數(shù)，通過計算機操作的，可根據(jù)需要選擇和仿真多個通道相關(guān)生物電信號的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
對人自身，特別是對人的健康的關(guān)注和追求，是人類社會的一個永恒話題。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、疾病的診斷， 并且可從人體內(nèi)部進行非手術(shù)式的干預，實現(xiàn)健康的維護和疾病的治療。對于基于生物電信號的可植入式系統(tǒng)的研發(fā)而言，一個無法回避的問題是如何獲取信號源用于相關(guān)系統(tǒng)設計過程中的測試？傳統(tǒng)的方法是采用動物實驗。采用動物實驗需要特定的條件和人員， 耗時且費力，不方便，而且對于某個階段、某些模塊的開發(fā)也是不需要的。因此，通過簡便的方式獲取生物電信號是值得探索的方向之一。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種可多通道輸出的生物電信號仿真系統(tǒng)，是一種生物電信號仿真系統(tǒng)，既可使用在基于生物電信號的可植入式系統(tǒng)的測試中，也可應用于以生物電信號為目標或與生物電信號相關(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，提供給后面的信號處理系統(tǒng)使用，大大提高了研發(fā)效率。本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。一種可多通道輸出的生物電信號仿真系統(tǒng)，其特征在于包括用于相關(guān)參數(shù)的設置和發(fā)送的PC上位機和用于輸出生物仿真信號的硬件模塊，所述相關(guān)參數(shù)包括輸出信號峰峰值、輸出信號頻率及輸出通道數(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，以獲取上位機所設置的相關(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)設置參數(shù)輸出特定信號；DAC模塊的信號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。上述的生物電信號仿真系統(tǒng)中，所述PC接口模塊通過RS232總線與PC上位機連接。上述的生物電信號仿真系統(tǒng)中，所述DAC模塊最多可產(chǎn)生8通道輸出信號，由DAC 芯片通過兩級級聯(lián)的方式構(gòu)成，即第一級DAC芯片的電壓輸出端與第二級DAC芯片的參考電壓輸入端連接。第一級的輸出電壓作為第二級的參考電壓輸入，通過改變第一級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DAC芯片的參考電壓，實現(xiàn)對輸出信號峰峰值的調(diào)整。[0007]上述的生物電信號仿真系統(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)實際情況調(diào)整，獲得合適的濾波性能。本實用新型的工作原理如下MCU控制模塊中存儲著生物電信號的基本數(shù)據(jù)，電腦通過RS232串口與MCU控制模塊進行通信，通信中將傳遞3個重要設置參數(shù)，分別是輸出信號峰峰值、輸出信號頻率和輸出通道數(shù)。參數(shù)的設置和發(fā)送通過上位機軟件來執(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實現(xiàn)通信，獲得進行控制所需要的參數(shù)，一方面根據(jù)所獲得的設置參數(shù)輸出相應的控制信號和數(shù)據(jù)，控制DAC模塊，實現(xiàn)輸出信號的更新。根據(jù)它的任務特點，MCU控制模塊與上位機的通信采用中斷方式進行，與 DAC模塊的通信采用循環(huán)方式進行，這樣既可以及時響應上位機的通信要求，又可以避免耗費太多時間在串口通信上面，影響輸出信號的頻率。為使輸出信號的峰峰值可以通過運行于上位機中的上位機進行調(diào)整，必須有兩級的DAC芯片，其中第一級的輸出電壓作為第二級的參考電壓輸入，通過改變第一級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DAC芯片的參考電壓，達到調(diào)整輸出信號峰峰值的目的。輸出通道數(shù)的選擇與輸出信號頻率的選擇可分別通過DAC芯片的片選信號、相鄰兩組待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)之間的延時實現(xiàn)。由于生物電信號的峰峰值較小，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，以得到相對理想的輸出波形。所述輸出信號頻率為基本波形的重復頻率，頻率范圍從20Hz到IOKHz ；所述輸出信號峰峰值的數(shù)量級范圍從幾百微伏到幾毫伏；輸出通道數(shù)可選1至8個通道。所述的可多通道輸出的生物電信號仿真系統(tǒng)中，硬件模塊通過PC接口模塊獲得上位機發(fā)送過來的所述參數(shù)后，MCU控制模塊通過延時參數(shù)的改變實現(xiàn)輸出信號頻率的修改，通過DAC芯片兩級級聯(lián)方式中第一級芯片的輸入碼的改變實現(xiàn)輸出信號峰峰值的修改，通過DAC芯片的片選信號的改變實現(xiàn)輸出通道數(shù)的修改。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點和效果多數(shù)生物電信號，比如神經(jīng)信號、心電信號，都是由一個基本波形不斷重復而形成的。不同種類生物電信號的變化主要體現(xiàn)在基本波形的不同以及相鄰基本波形之間的時間間隔的不同。本實用新型可通過改變波形的形狀和峰峰值來模擬生物電信號的基本波形，通過改變基本波形重復輸出的頻率來模擬生物電信號基本波形之間的時間間隔，從而實現(xiàn)仿真不同生物電信號的目的。本實用新型使用簡單，只需有PC機就可設置相關(guān)參數(shù)從而獲得所需要的生物電信號的仿真信號，并可根據(jù)實際需要調(diào)整濾波電路參數(shù)獲得相對理想的濾波效果。本實用新型采用DAC芯片兩級級聯(lián)方式進行分壓來實現(xiàn)毫伏級的微小信號輸出，消除了傳統(tǒng)的電阻分壓電路引入的內(nèi)部噪聲大、容易將輸出信號淹沒的缺點。與傳統(tǒng)的通過動物實驗獲得生物電信號的方式相比，本實用新型更加節(jié)省時間和費用，縮短了研發(fā)周期；與一般的通過信號發(fā)生器產(chǎn)生方波、正弦波等規(guī)則的信號作為測試用的信號源相比，本實用新型所提供的信號與真實信號更加接近，所得的測試結(jié)果更具參考意義。

圖1為所述生物電信號仿真系統(tǒng)整體框圖。圖2為圖1所述生物電信號仿真系統(tǒng)中的硬件模塊結(jié)構(gòu)框圖。[0015]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芯片兩級級聯(lián)方式示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實例對本實用新型的具體實施作進一步說明，但本實用新型的實施和保護范圍不限于此。圖1所示為所述生物電信號仿真系統(tǒng)整體框圖，包括上位機和硬件模塊兩大部分。上位機運行在PC上位機上，功能在于設置所要仿真的生物電信號的重要參數(shù)并將這些參數(shù)發(fā)送給硬件模塊，硬件模塊根據(jù)所得到的設置參數(shù)輸出相應波形。在上位機中可以設置的參數(shù)包括輸出信號頻率，該頻率為基本波形的重復頻率，范圍從20Hz到IOKHz ；輸出信號峰峰值，范圍從幾百微伏到幾毫伏；輸出通道數(shù)，1至8個通道可選。以上參數(shù)還可根據(jù)實際需要靈活調(diào)整。圖2所示為所述生物電信號仿真系統(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，比如神經(jīng)信號、心電信號，都是由一個基本波形不斷重復而形成的。不同種類生物電信號的變化主要體現(xiàn)在基本波形的不同以及相鄰基本波形之間的時間間隔的不同。 本實用新型通過改變波形的形狀和峰峰值來模擬生物電信號的基本波形，通過改變基本波形重復輸出的頻率來模擬生物電信號基本波形之間的時間間隔，從而實現(xiàn)仿真不同生物電信號的目的。將已經(jīng)提取出來的生物電信號的基本波形數(shù)據(jù)存儲在MCU控制模塊中，硬件模塊復位后，會根據(jù)默認的設置參數(shù)輸出仿真信號。倘若需要更改設置參數(shù)，則可通過上位機進行設置并通過RS232總線發(fā)送給硬件模塊。在通過PC接口模塊獲得上位機發(fā)送過來的控制參數(shù)，即輸出信號頻率、輸出信號峰峰值和輸出通道數(shù)后，MCU控制模塊會通過延時參數(shù)的改變實現(xiàn)輸出信號頻率的修改，通過DAC芯片兩級級聯(lián)方式中第一級芯片的輸入碼的改變實現(xiàn)輸出信號峰峰值的修改，通過DAC芯片的片選信號的改變實現(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置的參數(shù)輸出仿真信號。圖3所示為所述生物電信號仿真器的DAC模塊結(jié)構(gòu)框圖，由DAC芯片兩級級聯(lián)方式構(gòu)成，共有8通道輸出。DACl為兩級級聯(lián)方式中的第一級，DAC2-1至DAC2-8為兩級級聯(lián)方式中的第二級。其中第一級DAC芯片的輸出電壓作為第二級所有DAC芯片的參考電壓輸入。圖4所示即為兩級級聯(lián)方式示意圖，其中a代表自然數(shù)1至8中的任何一個，也就是說 DAC2-a代表第二級DAC芯片中的任何一個。在功能上，DAC芯片的兩級級聯(lián)方式有兩種作用。第一，可直接通過上位機設置輸出信號峰峰值，而不是像傳統(tǒng)的儀器那樣采用旋鈕進行手動調(diào)節(jié)。當MCU控制模塊得到從上位機傳過來的輸出信號峰峰值參數(shù)后，先通過片選信號選中圖4中的DAC1，然后依據(jù)參數(shù)選擇對應的待轉(zhuǎn)換碼發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC1，并啟動DACl的數(shù)模轉(zhuǎn)換過程，轉(zhuǎn)換完畢后，DACl的輸出信號便相應更新，因為DACl的電壓輸出端與DAC2-a的參考電壓輸入端相連接，所以DAC2-a的參考電壓也相應改變，從而DAC2_a 的輸出信號峰峰值就依據(jù)所設置的參數(shù)發(fā)生了變化。第二，生物電信號峰峰值較小，通常為毫伏級，可能的做法之一是將數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的輸出信號通過電阻構(gòu)成的分壓電路以獲得足夠小的信號，但是采用分立元件所構(gòu)成的電路的內(nèi)部噪聲大，容易將輸出信號淹沒。如果采用DAC芯片兩級級聯(lián)方式就可通過高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的降格使用實現(xiàn)分壓的功能，從而避免因為電阻分壓電路的引入帶來的干擾。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，倘若我們在編碼時將DACl當成8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，將其滿量程待轉(zhuǎn)換碼的值當成只有28 -1= 255，則相當于對DAC2-a的輸出信號進行了 1 :24的分壓，變?yōu)樵瓉淼?/16，如果在編碼時也將DAC2-a當成8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片使用，則相當于又對DAC2-a的輸出信號進行了 1 :24的分壓，進一步變?yōu)樽畛跣盘柕?1/256。采用兩級級聯(lián)的方式既可保證有足夠?qū)挼姆謮悍秶挚墒箶?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，本實用新型能通過上位機設置的參數(shù)，方便地產(chǎn)生峰峰值小至毫伏級的生物電信號，相較于傳統(tǒng)方法更加省時省力，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仿真系統(tǒng)，其特征在于包括用于相關(guān)參數(shù)的設置和發(fā)送的PC上位機和用于輸出生物仿真信號的硬件模塊，所述相關(guān)參數(shù)包括輸出信號峰峰值、輸出信號頻率及輸出通道數(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；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；所述 DAC模塊的信號輸出端與濾波電路模塊的輸入端連接。
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仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述DAC 模塊由DAC芯片通過兩級級聯(lián)的方式構(gòu)成，第一級DAC芯片的電壓輸出端與第二級DAC芯片的參考電壓輸入端連接。
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仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述DAC 模塊的第一級DAC芯片包括一個DAC芯片；第二級DAC芯片包括8個DAC芯片，每個DAC芯片對應一個輸出通道。
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。
專利摘要本實用新型公開一種可多通道輸出的生物電信號仿真系統(tǒng)，包括PC上位機和硬件模塊，上位機用于相關(guān)參數(shù)的設置和發(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接口模塊與上位機通信，獲取相關(guān)參數(shù)，一方面控制DAC模塊按照相關(guān)參數(shù)輸出信號；DAC模塊采用兩級級聯(lián)的方式實現(xiàn)輸出信號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)。本實用新型可根據(jù)需要選擇和仿真多個通道相關(guān)生物電信號。本實用新型采用DAC芯片兩級級聯(lián)方式進行分壓來實現(xiàn)毫伏級的微小信號輸出，消除了傳統(tǒng)的電阻分壓電路引入的內(nèi)部噪聲大、容易將輸出信號淹沒的缺點。
文檔編號G06F19/10GK202217280SQ201120305579
公開日2012年5月9日 申請日期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 申請人:華南理工大學