基于labview的心率計設計【畢業(yè)設計+開題報告+文獻綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　基于LabVIEW的心率計設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 測控技術與儀器 </p&

2、gt;<p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　

3、　當今社會，心臟病已經是嚴重危害人類健康的疾病之一。雖然現在社會上測量心電信號的各種設備已經相當普及，但其中絕大多數還是依賴硬件來進行信號的采集與分析，不但成本較高，而且不利于儀器的升級與維護。隨著虛擬儀器技術的快速發(fā)展，以LabVIEW為核心的數據采集及分析技術為心電信號測量帶來了新的機遇。</p><p>　　虛擬儀器技術以PC強大的軟硬件資源為基礎，配合相對簡單的采集硬件來進行工作。LabVIEW為其技術核

4、心，數據的采集、實時處理、保存、顯示均由LabVIEW加以控制。虛擬儀器既可以實現真實儀器的相應功能，又具有成本低廉、升級容易、使用方便等優(yōu)點。</p><p>　　本設計為“虛擬心率計”，僅對心電信號中的簡單參數心率進行測試。壓電器件將心跳信號轉化為微弱電信號，經放大、濾波后由DAQ卡采集進PC中，經過LabVIEW加以分析、計算，最終得到心率。經實驗證明，本設計使用簡便靈活、人機界面友好，實現了所要求的心率計

5、測功能。</p><p>　　關鍵詞：虛擬儀器，LabVIEW，心率計，壓電器件</p><p>　　Design of a Virtual Cardiotachometer Based on LabVIEW</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In today’s society,

6、 heart disease is one of the serious diseases. Although many kinds of devices used for electrocardiosignal measurement are available now, most of them use hardware to collect and analyze the signal. As a result, the cost

7、 is rather high and it is hard for device update and maintenance. With the rapid development of virtual instrument technology, the technology of data collection and analysis based on LabVIEW brings a new opportunity for

8、electrocardiosignal measurement. </p><p>　　The foundation of virtual instrument technology is the powerful hardware and software resources of PC, combining with some relatively simple I/O modules. LabVIEW is

9、 the core of the virtual instrument; data acquisition, real-time processing and judging, store and display are controlled by LabVIEW. Virtual Instrument has almost the same function of the ‘real’ one but with advantages

10、such as low cost, easy to upgrade and easy to use.</p><p>　　This design, a ‘Virtual Cardiotachometer’, only measure one of the simple electrocardiosignal, heart rate. Piezoelectric device transduces the hear

11、t beat into weak electrical signal. After filtering and amplification, the signal is got by DAQ card and sent to PC. Data is analyzed and calculated by LabVIEW, and then the heart rate can be got. Experiment results show

12、 that this design is simple and flexible with friendly man-machine interface. The required function for heart rate detection is reali</p><p>　　Keywords: Virtual Instrument, LabVIEW, Cardiotachometer, Piezoel

13、ectric Device</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的來源1

14、</p><p>　　1.2課題的意義1</p><p>　　1.3虛擬心率計技術的國內外發(fā)展現狀1</p><p>　　1.3.1 虛擬儀器的國內外研究現狀1</p><p>　　1.3.2 LabVIEW的發(fā)展歷程2</p><p>　　1.3.2 心率計的研究現狀3</p><p&g

15、t;　　1.4課題研究的主要內容3</p><p>　　2硬件電路的方案設計4</p><p>　　2.1傳感器的選擇4</p><p>　　2.1.1 方案評價4</p><p>　　2.2放大電路的設計選擇5</p><p>　　2.2.1 方案評價5</p><p>　　2.3

16、濾波電路的設計選擇6</p><p>　　2.3.1 方案評價6</p><p>　　2.4各部分電路參數的選定以及總體電路的確定7</p><p>　　2.4.1電路各部分參數的選定7</p><p>　　2.4.2總電路的確定以及其工作流程圖8</p><p>　　2.5 用Multisim對設計電路的仿

17、真以及實際電路搭建9</p><p>　　3 LabVIEW的軟件編程設計11</p><p>　　3.1系統(tǒng)流程圖11</p><p>　　3.2 前面板的設計11</p><p>　　3.3程序設計12</p><p>　　3.3.1數據采集模塊12</p><p>　　3.3.

18、2放大濾波模塊13</p><p>　　3.3.3波峰數判定紀錄模塊14</p><p>　　3.3.4波形紀錄模塊15</p><p>　　3.3.5數據讀取模塊15</p><p>　　3.3.6計時模塊的設計16</p><p>　　3.4總程序圖的組合設計16</p><p>

19、;　　4軟硬件的組合17</p><p>　　4.1數據采集系統(tǒng)NI ELVIS II+17</p><p>　　4.2 NI ELVIS II+與硬件采集電路的結合18</p><p><b>　　結論19</b></p><p><b>　　參考文獻20</b></p>

20、<p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　附錄22</b></p><p>　　附錄圖1 Multisim中的仿真硬件電路22</p><p>　　附錄圖2 Multisim仿真結果22</p><p>　　附錄圖3 程序前面板圖23</p><p>　　

21、附錄圖4 總程序框圖23</p><p>　　附錄圖5 放大濾波電路硬件實物圖24</p><p>　　附錄圖6總體實物圖24</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題的來源</b></p><p>　　人的心率信息關系到一個

22、人的健康狀態(tài)，是人類生命特征的重要參數，在美國，每年因為心臟疾病而導致死亡的人數，比患其他疾病而死亡的人數要多。在各種心臟疾病致死的病例中，以心臟病發(fā)作而導致死亡的情況最為常見，但是在心臟疾病發(fā)作的病例中，只有1/3是致命性的，而至少有2/3是非致命性的，這說明心臟疾病是可以通過進行預防治療到達減少發(fā)病次數乃至痊愈的目的的。在近一個世紀里，西方國家因心臟病致死人數不斷增加，但美國到了六十年代后期，心臟病死亡率已不再增加了，近來在歐洲地區(qū)

23、，心臟病的死亡率增加速度也在緩慢下來。這些都要歸功于人們對預防心臟疾病的意識增加，并且實際著手實踐的緣故。而一個好的心率計可以更加直觀明確的給出患者的心電信息電信息，然后根據心電信息分析出患者的具體狀態(tài)，從而作出科學的醫(yī)學決策。</p><p><b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　隨著現代醫(yī)學的不斷發(fā)展和進步，人們對各種醫(yī)用設備的要求也越來越來高

24、。雖然現今社會上各種心率計已經基本普及，但傳統(tǒng)的心電信息記錄方法主要靠心電圖機來完成，其信號采集、處理和顯示主要通過硬件電路來完成，這樣一來不但電路生產技術要求較高，而且設備價格昂貴，并且不利于設備維護和數據傳輸。而基于LabVIEW的心率計相比較傳統(tǒng)心率計而言，由于其采用的是相對簡單的硬件采集電路，其他的核心分析計算都是在LabVIEW中進行的，這樣不但儀器的成本降低了，而且由于其核心是安裝在微機上的LabVIEW，所以通過聯網就可以

25、很好的對儀器進行維護和數據傳送。因此，一款基于虛擬儀器LabVIEW的心率計具有很好的市場前景。</p><p>　　1.3虛擬心率計技術的國內外發(fā)展現狀</p><p>　　1.3.1 虛擬儀器的國內外研究現狀</p><p>　　虛擬儀器的起源應該可以追溯到上個世紀80年代。之所以稱之為虛擬，是因為軟件在這類儀器中起到了決定性的作用，其概念“軟件即是儀器”體現了

26、虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的區(qū)別。從上個世紀80年代美國推出虛擬儀器以來，至今已產生了LabVIEW、HPVEE等國際上著名的開發(fā)系統(tǒng)，美國國家儀器公司（NI）一直是這個領域中的佼佼者。30多年來，美國國家儀器公司（NI）幫助測試、控制、設計領域的工程師與科學家解決了從設計、原型到發(fā)布過程中所遇到的種種挑戰(zhàn)。通過現成可用的軟件，如LabVIEW, 以及高性價比的模塊化硬件，NI幫助各領域的工程師不斷創(chuàng)新，在縮短產品問世時間的同時有效降

27、低開發(fā)成本[1]。</p><p>　　我國從20世界80年代以來開始引入研究虛擬儀器。國家的自然科學基金委員會曾經將其列入“十五”期間優(yōu)先投資領域，將其作為現代機械工程學科前沿。目前我國的虛擬儀器技術已經取得了相當不錯的研究成果，而伴隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，人們對儀器設備的要求也越來越高，而基于微型計算機的虛擬儀器設備，由于其成本低、開發(fā)周期短、利于維護等有利因素的存在，使其在我國的生產普及奠定了主要因素。

28、預計在未來諾干年內我過虛擬儀器行業(yè)的生產總值將會超過傳統(tǒng)儀器儀表行業(yè)生產總值的50%。</p><p>　　然而從我國整體的發(fā)展情況來看，我國的虛擬儀器技術還并不是很完善，有些企業(yè)還沒有真正理解虛擬儀器的內涵，有些人誤認為虛擬儀器是一種新型的仿真儀器，其實不然，虛擬儀器是一種真實的特殊的新型儀器，只不過他的存在方式是基于微機來進行工作的，而仿真只是模擬出一個信號或者數據，而并沒有真正的進行數據采集，兩者有本質的區(qū)

29、別。因此我應該盡快引進消化國外先進的虛擬儀器技術，同時自己再精益求精，創(chuàng)新出更為先進完善的虛擬儀器技術。</p><p>　　1.3.2 LabVIEW的發(fā)展歷程</p><p>　　LabvIEW是美國國家儀器公司（NI）退出的一款業(yè)界領先的圖形化編程軟件，主要應用于開發(fā)測試、、測量和控制系統(tǒng)。它將軟件和各種測量硬件以及個人計算機結合在一起，組成虛擬儀器系統(tǒng)，用戶可以自主定義編程，來解決

30、各種方案。</p><p>　　LabVIEW從1986問世以來，20多年來，LabVIEW不斷的發(fā)展更新。</p><p>　　1986年10月美國NI公司正式發(fā)布了LabVIEW 1.0。隨后，NI公司的開發(fā)小組繼續(xù)投入開發(fā)研究，從編輯器、圖形顯示及其他細節(jié)著手，對其進行重大改進，并在1990年1月發(fā)布了LabVIEW 2.0。1992年LabVIEW突破技術難點，實現了從Macint

31、osh平臺到Windows平臺的移植，1993年1月LabVIEW 3．0正式發(fā)行。至此LabVIEW系統(tǒng)已經成為包含了多達幾千個Ⅵ的大型應用軟件[2]。</p><p>　　1999年4月，LabVIEW 4.0面世，這個版本實現了應用程序編輯器的單獨執(zhí)行，并向數據采集DAQ通道方向進行了技術延伸。接下來在1998年2月發(fā)布的LabVIEW 5對以前版本進行了全面的修改完善，對編輯器和執(zhí)行系統(tǒng)進行了重新設計，雖

32、然這個版本增加了操作的復雜性，但同時也大大增強了LabVIEW、的穩(wěn)定性。1999年6月，LabVIEW開發(fā)小組發(fā)布了用于實時應用程序的分支—LabVIEW RT版[3]。 </p><p>　　2000年6月LabVIEW 6發(fā)布，LabVIEW 6擁有全新的用戶界面特征（如3D形式顯示）、擴展功能以及對各層內存進行了優(yōu)化，另外還具有一項重要的功能，就是強大VI服務器。2003年5月，NI公司又發(fā)布了LabVI

33、EW 7，其中的Express中引入了波形數據類型和一些交互性更強的函數，使用戶開發(fā)設計更為簡便，大大縮短了測量和自動化應用任務的開發(fā)周期，并且對LabVIEW的使用范圍進行了擴充，使其支持PDA和FPGA等硬件。2005年強勢發(fā)布了LabVIEW 8，為分布在不同計算計上的各種應用程序的開發(fā)研究提供支持。</p><p>　　2006年是LabVIEW圖形化軟件系統(tǒng)正式推出的第20周年，為了慶祝和紀念這一具有歷

34、史意義的時刻，NI公司發(fā)布了LabVIEW 20周年紀念版——LabVIEW 8.20。相對于LabVIEW 7.x,LabVIEW 8.20的更新力度超過了以往任何一次更新，NI公司在LabVIEW 8上的研發(fā)投入超過了LabVIEW 7的兩倍。與此同時NI公司第一次推出了中文版的LabVIEW，為中國用戶的學習和使用降低了難度[3]。</p><p>　　2008年和2009年，NI公司又相繼推出了LabVI

35、EW 8.5.x和LabVIEW 8.6.x。</p><p>　　2010年8月，NI公司發(fā)布了LabVIEW的最新版LabVIEW 2010，相對于之前的版本而言，LabVIEW 2010新增了即時編譯功能，并根據不同的市場提供各種附加工具包的收費與評估版，用戶可以自主選擇將這些功能集成到開發(fā)平臺上。LabVIEW 2010的另外一個顯著功能就是針對各種時間的實現進行了優(yōu)化。另外，NI公司于Xilinx等著名

36、技術提供商進行了合作，進一步擴展了LabVIEW的使用環(huán)境。</p><p>　　1.3.2 心率計的研究現狀</p><p>　　心率計是醫(yī)學上常用的檢測設備，主用用于對患者的心電信號進行檢測分析，從而根據分析情況給出科學的醫(yī)學診斷[4]。</p><p>　　雖然現在社會上心率計、心電圖機已經基本普及，但大多數還是建立在硬件的基礎上來進行工作的。而且目前市面上的

37、心率計主要還是要通過人工讀圖來進行分析診斷，而且對相關工作人員所應具備的專業(yè)知識要求較高，而可以通過計算機進行讀圖分析的心率計不但可以減輕相關工作人員的負擔，還能避免不必要的人為誤差，大大提高了工作效率[4]。</p><p>　　1.4課題研究的主要內容</p><p>　　（1）利用壓電陶瓷片通過脈搏跳動來采集信號。</p><p>　?。?）用Multisim

38、軟件設計放大濾波等硬件電路并且仿真通過。</p><p>　?。?）利用電腦中的LabVIEW軟件做核心處理部分。</p><p>　?。?）連接軟硬件進行整體調試和修改。</p><p>　?。?）通過人機交互界面，便可得到人的每分鐘心臟跳動次數。 </p><p>　?。?）完成設計的計算和軟件說明書。</p>&

39、lt;p>　　2硬件電路的方案設計</p><p>　　因為本文是基于虛擬儀器的心率計設計，所以硬件電路只要滿足大體要求就可以采納，并不需要達到非常高的精度。</p><p>　　為保證硬件電路設計過程的準確性和高效性，先擬定設計硬件電路的流程如下：</p><p><b>　　2.1傳感器的選擇</b></p><p

40、>　　方案一：采用紅外對管。其工作原理是用對管夾住手指指節(jié)，當手指血脈濃度隨著心臟跳動發(fā)生變化時，紅外對管采集到的信號會發(fā)生相應的變化，然后根據這個變化來進行分析計算[5]。</p><p>　　方案二：采用反射式的紅外管。其工作原理與紅外對管基本相同，區(qū)別是紅外管測試時是放在被測物的同一側。</p><p>　　方案三：采用壓電陶瓷片。其工作原理是壓電效應，當有電壓作用在壓電陶瓷上

41、時，壓電陶瓷根據就會發(fā)生相應的機械變形。相反，當振動壓電陶瓷使其發(fā)生機械變形時，它就會產生相應的電荷。根據這個原理，我們就可以利用壓電陶瓷片來檢測脈搏跳動。壓電陶瓷片的符號和實物如圖2-1所示[6]。</p><p>　　圖2-1壓電陶瓷片的符號和實際外觀</p><p>　　2.1.1 方案評價</p><p>　　方案一和方案所介紹的傳感器相對來說價格昂貴，而且

42、鑒于本專業(yè)對紅外知識的認知較少，預計難以到達理想目的。而方案三介紹的壓電陶瓷片價格便宜，工作原理清晰明確，很符合這個設計，所以我選壓電陶瓷片作為心率計的采集傳感器。</p><p>　　2.2放大電路的設計選擇</p><p>　　方案一：使用SHM1150II型集成放大器：SHM1150II型電路由于輸出級采用了VMOS管，使其輸出功率得到了很大的提高。其特點是，應用十分方便，接上電源即

43、可作為雙電源互補對稱電路直接使用。該電路可在電壓下正常工作。其電路如圖2-2所示[7]。</p><p>　　圖2-2 SHM1150II型集成放大器</p><p>　　方案二：采用傳統(tǒng)實用的三運放放大電路：這類電路具有輸入阻抗高，共模抑制比高，噪聲和漂移小，對信號源的影響小，采集信號能力強，輸出穩(wěn)定等特點，并且可以調節(jié)可變電阻Rp改變增益。其具體電路如圖2-3所示。</p>

44、<p>　　圖2-3 三運放放大電路</p><p>　　2.2.1 方案評價</p><p>　　由于SHM1150II型集成放大器主要用于功率放大，雖然也可以進行電壓放大，但這并不是它的主要作用，可能效果沒有專用的電壓放大器來的好，而三運放放大電路經常被應用為醫(yī)學放大器，從這方面來將很適合用作心電信號的放大，而且該放大器溫度穩(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪聲系數小，并且方便調節(jié)。

45、所以我決定選擇方案二作為放大電路。</p><p>　　2.3濾波電路的設計選擇</p><p>　　方案一：一階RC濾波電路,如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4一階RC濾波電路</p><p><b>　　令</b></p><p><b>　　因為</b>&l

46、t;/p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　即</b></p><p>　　方案二：二階壓控電壓源低通濾波電路：它是有兩級RC濾波電路和同相比例放大電路組成。其特點是，輸入阻抗高，輸出阻抗低。其同相比例放大電路的電壓增益為。其具體電路圖如圖2-5所示[7]。</p><p>

47、　　圖2-5二階壓控電壓源低通濾波電路</p><p>　　2.3.1 方案評價</p><p>　　由于本設計的核心是LabVIEW軟件分析控制，通過一階濾波后的信號完全可以傳送到LabVIEW中進行再次處理分析，所以沒有必要采用二階濾波這種成本較高，設計較復雜的濾波電路。故我選擇方案一。</p><p>　　2.4各部分電路參數的選定以及總體電路的確定</

48、p><p>　　根據上文所介紹的放大濾波電路即可確定一個總體采集電路</p><p>　　2.4.1電路各部分參數的選定</p><p>　?。?）放大電路參數的選定：根據圖2-3所示的電路進行計算</p><p>　　（2.4.1a） </p><p><b>　?。?.4.1b）</b>&

49、lt;/p><p><b>　?。?.4.1c）</b></p><p>　　由虛短虛斷的定義可知 </p><p>　　當,時，由式（2.4.2b）和（2.4.3c）可得出</p><p>　　又由式（2.4.1a）可得：</p><p>　　所以

50、 </p><p>　　根據現有的硬件設備，設定硬件放大為兩百倍左右，取，,這樣可得到增益倍。</p><p>　?。?）濾波電路的參數選定：根據圖2-4所示的電路進行分析計算</p><p>　　由2.3節(jié)得出的公式可知，當選定電容為1uF時，只要確定了頻率值就可以確定選用多大的電阻R。</p><p>　　而由于這個濾波電路是服務于心率計

51、的采集電路的，而一般采集到的人類心電信號頻率不會超過40Hz,所以我們區(qū)f=40Hz。這樣就可得到</p><p>　　2.4.2總電路的確定以及其工作流程圖</p><p>　　根據以上放大電路和濾波電路的設計以及各元器件的參數選擇，確定總體電路如圖2-6所示。</p><p>　　圖2-6 硬件采集的完整電路</p><p>　　其中三個

52、放大器我選擇了市場比較常見的LM324N芯片[9]來作為放大元器件，因為LM324N芯片價格低廉，性能完全能夠滿足我的信號采集放大的要求。它帶有4個放大器數;帶寬在1MHz;引腳數為14個;工作唯獨范圍在-40℃到+85℃之間;電源的最大電壓為32V，最小電壓為3V。功能LM324N的實物圖和引腳圖如下：</p><p>　　圖2-7 LM324N實物圖</p><p>　　圖2-8 LM

53、324N的引腳圖</p><p>　　硬件電路總的工作流程程框圖如下：</p><p>　　圖2-9硬件電路的采集流程</p><p>　　2.5 用Multisim對設計電路的仿真以及實際電路搭建</p><p>　　Multisim仿真軟件簡介：Multisim NI公司推出的建立在Windows基礎上的一款仿真軟件。它使用于模擬/數字電

54、路板的設計工作。包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式。由于Multisim軟件結合了直觀的捕捉和強大的仿真功能，使其能過快速高效的對電路圖進行設計和驗證[10]。</p><p>　　在Multisim10.0中依次連接信號源，放大器，濾波電路，其綜合實驗電路見附錄圖1。</p><p>　　采用壓電陶瓷片作為信號源，對上圖中的仿真電路進行運行分析，仿真結果如附錄圖2所示，

55、幅值小的曲線表示原始信號，幅值大的曲線表示進過電路處理后的輸出信號。 </p><p>　　原始信號電壓和處理過信號電壓如下圖：</p><p>　　圖2-10原始信號電壓</p><p>　　圖2-11輸出信號電壓</p><p>　　由圖可知，電路工作情況良好，輸出電壓差不多是原始電壓的210.57倍，跟理想狀態(tài)的2

56、11倍非常接近，近乎完美的達到了預期的目標。說明設計的電路可行。</p><p>　　根據以上設計的電路圖搭建的實物電路見附錄圖5。</p><p>　　3 LabVIEW的軟件編程設計</p><p><b>　　3.1系統(tǒng)流程圖</b></p><p>　　3.2 前面板的設計</p><p>

57、;　　前面板是用戶操作的界面。該界面上有交互是的輸入和輸出兩大空間，即輸入控件和輸出控件。輸入控件包括開關、旋鈕和其他各種輸入設備；顯示控件包括圖形和其他顯示輸出對象[11]。</p><p>　　本程序的前面板主要包括輸入信號的原始波形，信號放大濾波后的處理波形，測量時間輸入控件，本次測量值的顯示控件，確定是否顯示保存值的選擇控件等，具體前面板圖見附錄</p><p><b>

58、　　3.3程序設計</b></p><p>　　這部分是整個心率計的分析處理控制部分，將是整個儀器的核心所在，整個程序框圖由數據采集模塊，放大濾波模塊、波峰數判定紀錄模塊、波形紀錄模塊、數據讀取模塊、計時模塊等組成。以下是各個模塊的設計介紹。</p><p>　　3.3.1數據采集模塊</p><p>　　這個部分我選用了NI公司的NI ELVIS II

59、+,在PC機接入NI ELVIS II+并通過自檢后，LabVIEW中的DAQ助手將會生效，通過測量I/0、DAQmx-數據采集、選中DAQ助手并打開，選擇模擬通道-電壓-ai0通道[12]，如下圖所示：</p><p>　　圖3-1 NI ELVIS II+輸入通道設置</p><p>　　之后會跳出DAQ助手的具體設置，如下圖：</p><p>　　圖3-2 D

60、AQ助手屬性設置圖</p><p>　　將其中的通信通道設置為電壓，接線端配置設置為RSE，選擇連續(xù)采樣，取待讀取采樣數為100，采樣率為1kHz。</p><p>　　3.3.2放大濾波模塊</p><p>　　圖3-3放大濾波模塊圖</p><p>　　說明：（1）由于原始是較小的負信號，所以將其反相放大10倍。</p>&

61、lt;p>　?。?）前一個濾波器選著0.03—160Hz的帶通濾波器：用來截圖心電圖信號的主要信息。</p><p>　?。?）第二個濾波器選擇平滑濾波器：主要用來消除高頻干擾，濾波方式選擇的半寬移動平均選擇3階。</p><p>　　該程序中的兩個示波器設置方式如下：雙擊圖標-選擇濾波器類型-選擇濾波器規(guī)范和半寬移動平均[13]。</p><p>　　3.3

62、.3波峰數判定紀錄模塊</p><p>　　LabVIEW中具有多個函數來識別波峰，如“過閥值的峰檢測”函數、“波峰峰值檢測”函數，它們兩者之間的區(qū)別是前者是檢測數值等數據源，而后者可以檢測動態(tài)數據源。但后者可以通過“動態(tài)數據轉換”函數將動態(tài)數據轉換為數組來進行檢測?！斑^閥值的峰檢測”圖標如下[13]：</p><p>　　圖3-4 過閥值的峰檢測</p><p>

63、　　其中有幾個重要的數據信息如下：</p><p>　?。?）X是輸入序列。X中的采樣數必須大于指定的寬度。 如X小于等于寬度，VI將把計數設置為0并返回錯誤。</p><p>　?。?）閾值是所有有效峰值在持續(xù)時間為寬度的采樣時必須等于或超過的值。默認值為0.0。</p><p>　?。?）寬度是輸入序列X的峰值必須滿足或大于閾值的最小寬度，以采樣數量為單位，用于

64、確認峰值是否有效。寬度必須大于0。如寬度小于等于0，VI將設置計數為0并返回錯誤。默認值為1。</p><p>　?。?）索引包含全部有效峰值的起始索引。</p><p>　?。?）計數是有效峰值的數量。</p><p>　　波峰數的判斷模塊圖如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5波峰數的判斷程序圖</p><p&

65、gt;　　由于上圖程序所輸出的數據類類型是長整形數據，所以我們可以通過循環(huán)中的數據自動索引功能來創(chuàng)建一維數組，然后通過求數組和來求得波峰總數。自動索引功能是循環(huán)結構中的一種特殊功能，當自動索引功能被打開是，數據將在每次循環(huán)過程中流過一個值，然后組成一個比原來數據多一位的數組[14]。其程序圖如下：</p><p>　　圖3-6波峰求和程序圖</p><p>　　3.3.4波形紀錄模塊<

66、;/p><p>　　這個模塊用來存儲采集到的波形，可以通過函數-編程-文件I/0中的“寫入測量文件函數”來實現。</p><p>　　圖3-7寫入波形函數的程序圖</p><p>　　其中的條件結構用來判斷是否需要寫入波形文件，而下方的字符串用來指定要寫入文件的地址。</p><p>　　3.3.5數據讀取模塊</p><p&

67、gt;　　這個模塊用來讀取前次測量的波形文件已經測量結果。</p><p>　　圖3-8電子表格文件的讀取</p><p>　　圖3-9讀取測量文件函數的使用</p><p>　　3.3.6計時模塊的設計</p><p>　　計時模塊可以用來設定信號采集的時間，方便進行測量計算。</p><p>　　圖3-10技術模塊

68、的編程</p><p>　　已用時間函數的功能是計算從指定起始時間起，已經用去的時間。用于配合while函數即能達到定時的目的[15]。</p><p>　　3.4總程序圖的組合設計</p><p>　　總結以上各種程序模塊的設計選擇，確定總體程序框圖可見附錄圖4。</p><p><b>　　4軟硬件的組合</b>&l

69、t;/p><p>　　4.1數據采集系統(tǒng)NI ELVIS II+</p><p>　　本心率計將NI公司推出的NI ELVIS II+數據采集設備，即教學實驗室虛擬儀器套件，可用于動手設計及原型設計。該平臺集成了12款最常用儀器，包括示波器、數字萬用表、函數發(fā)生器、波特分析儀等，緊湊的結構是實驗室及課堂教學的理想選擇。NI ELVIS II+可以通過USB與PC機相連，實現數據的采集傳輸。作為

70、基于NI LabVIEW圖形化系統(tǒng)設計軟件，NI ELVIS II+能夠發(fā)揮虛擬儀器技術的靈活性及自定義功能。同時，NI ELVISII+也是NI電子教育平臺中的重要部分，結合NI Multisim采集及仿真環(huán)境實現NI ELVIS II+板載電路的測量及仿真。NI ELVIS II+的設計以教學為目標，是一款全面的教學工具，用于電路設計、儀器控制、無線通信、嵌入式/MCU理論等教學[16]。NI ELVIS II+外觀如下圖所示：&l

71、t;/p><p>　　圖4-1NI ELVIS II+外觀圖</p><p>　　NI ELVIS II+的主要規(guī)則參數如下[17]：</p><p>　　通道數： 8 通道差分或16 通道單端</p><p>　　最大采樣速率：1.25 MS/s單通道</p><p>　　用于模擬輸入的最大工作電壓（信號＋共模）

72、： ± 11 V 對 AIGND</p><p>　　輸入范圍：±10，±5，±2，±1，±0.5，±0.2和±0.1 V</p><p>　　NI ELVIS II+的使用步驟：</p><p>　?。?）接上NI ELVIS II+的電源線，將USB數據線分別連接到NI ELVI

73、S II+和PC機。</p><p>　?。?）打開NI ELVIS II+的總電源開關，等“USB READY”燈亮后，再開啟面板右上方的“PROTOTYPLING BOARD POWER”開關。</p><p>　?。?）啟動PC機上的Measurement & Automation軟件，選擇“我的系統(tǒng)-設備和接口- NI ELVIS II+Dev”右擊，選擇自檢。如果系統(tǒng)顯示

74、自檢通過就可以正常運行NI ELVIS II+了。</p><p>　　（4）設備使用完畢后，相對于開啟時逆向關閉各個電源按鈕。</p><p>　　4.2 NI ELVIS II+與硬件采集電路的結合</p><p>　　硬件的連線框圖如下：</p><p>　　圖4-2系統(tǒng)硬件連線圖</p><p>　　整體的設備

75、連線圖見附錄圖6</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　此次設計是利用LabVIEW、硬件采集模塊和NI ELVIS II+開發(fā)的一個心率采集分析儀，該設備以LabVIEW為核心處理模塊，由硬件電路采集心電信號，通過DAQ卡將采集到的心電信號輸入到PC機的LabVIEW中，進行實時的處理、分析、運算，最終得到每次測量的心率。雖然由于所采用的壓電

76、陶瓷片并不靈敏的原因，導致只能手動模擬心跳，但設計思路可行，使用界面簡便靈活，能夠完成對所采集信號的分析處理，實現了畢設所要求的基本功能。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 秦樹人.虛擬儀器[M].北京：中國計量出版社，2004</p><p>　　[2]LabVIEW Measurements

77、 Manual[M]. National Instruments, 2000.7</p><p>　　[3]C Chronaki, et al. Integrated Teleconsultation Services in Cardiology[J], Computers in Cardiology 2000;27:175~178</p><p>

78、　　[4]李凌.張開妍等,一種新的遠程醫(yī)療系統(tǒng)[J],中國醫(yī)療器械雜志，2000.24(5)260~263</p><p>　　[5]張凱，郭棟。虛擬儀器工程設計與開發(fā)[M] 國防工業(yè)出版社。2004：192-202</p><p>　　[5]陳錫輝, 張銀鴻，LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].清華大學出版社，2007.07</p>&l

79、t;p>　　[6]周求湛，錢志鴻，劉萍萍等.虛擬儀器與Labview7程序設計.北京:北京航空航天大學出版社，2004</p><p>　　[7]楊樂平，里海濤，肖相生.LabVIEW程序設計與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001：261-266</p><p>　　[8]黃松嶺，吳靜.虛擬儀器設計基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2008</p><p

80、>　　[9]王建群 南金瑞等. 基于LabVIEW的數據采集系統(tǒng)的實現[J],計算機工程與應用, 2003,21: 122-125</p><p>　　[10]燕延，馬增強.基于Labview的數據采集與處理軟件編程技巧。微計算機信息，2005年21卷第5期</p><p>　　[11]陳杰，黃鴻 傳感器與檢測技術腳[M]北京:高等教育出版社，

81、2002.302~307</p><p>　　[12]汪敏生譯.LabVIEW基礎教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[13]黃進文.虛擬儀器心電信號自動分析系統(tǒng)設計[J].云南大學出版社，2009</p><p>　　[14]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].清華大學出版社，2007.7</p&g

82、t;<p>　　[15]National Instruments.DAQ PCI E Series User Manual,Part Number 320945C-01.1997</p><p>　　[16]侯國屏，王珅，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005</p><p>　　[17]楊智，袁媛，賈延江，虛擬儀器教學實驗簡明教

83、程:基于LabVIEW的ELVIS，北京航空航天大學出版社，2008.03</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　附錄圖1 Multisim中的仿真硬件電路</p><p>　　附錄圖2 Multisim仿真結果</p><p>　　附錄圖3 程序前面板圖</p><p>

84、　　附錄圖4 總程序框圖</p><p>　　附錄圖5 放大濾波電路硬件實物圖</p><p><b>　　附錄圖6總體實物圖</b></p><p><b>　　文獻綜述</b></p><p>　　基于LabVIEW的心率計設計</p><p>　　1前言（課題的研究背景

85、和意義）</p><p>　　心率計是常用的醫(yī)學檢查設備，實時準確的心率測量在病人監(jiān)視、臨床治療及體育競賽等方面都有著廣泛的應用。</p><p>　　但隨著現代醫(yī)學的不斷發(fā)展和進步，人們對各種測量儀器的要求也越來越高，而傳統(tǒng)的心率計測量誤差較大、元件參數調試困難、可靠性差。因此，一款基于虛擬儀器和LabVIEW的心率計必有很好的市場前景</p><p>　　20年

86、來，無論是初學乍用的新手還是經驗豐富的程序開發(fā)人員，虛擬儀器在各種不同的工程應用和行業(yè)的測量及控制的用戶中廣受歡迎，這都歸功于其直觀化的圖形編程語言。虛擬儀器的圖形化數據流語言和程序框圖能自然地顯示您的數據流，同時地圖化的用戶界面直觀地顯示數據，使我們能夠輕松地查看、修改數據或控制輸入。 </p><p>　　美國國家儀器公司NI（National　Instruments）提出的虛擬測量儀器（VI）概念，引發(fā)了傳

87、統(tǒng)儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網絡技術得以長驅直入儀器領域，和儀器技術結合起來，從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。 “軟件即是儀器”這是NI公司提出的虛擬儀器理念的核心思想。從這一思想出發(fā)，基于電腦或工作站、軟件和I／O部件來構建虛擬儀器。I／O部件可以是獨立儀器、模塊化儀器、數據采集板（DAQ）或傳感器。NI所擁有的虛擬儀器產品包括軟件產品（如LabVIEW）、GPIB產品、數據采集產品、信號處理產品、圖像采集產品、DSP產品

88、和VXI控制產品等。</p><p>　　同其他技術相比，虛擬儀器技術具有四大優(yōu)勢：</p><p><b>　　1、性能高</b></p><p>　　虛擬儀器技術是在PC技術的基礎上發(fā)展起來的，所以完全"繼承"   了以現成即用的PC技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使

89、您在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術現其更強大的優(yōu)勢。</p><p><b>　　2、擴展性強</b></p><p>　　NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當前的技術中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進整個系統(tǒng)。

90、在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。3、開發(fā)時間少</p><p>　　在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構架能與計算機、儀器 </p><p>　　儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。NI設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使我們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和

91、控制解決方案。 </p><p><b>　　4、無縫集成</b></p><p>　　虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設備提供了標準的接口，幫助我們輕松地將多個測量設備集成到單個系統(tǒng)，減

92、少了任務的復雜性。</p><p>　　2主題（發(fā)展現狀和發(fā)展方向）</p><p>　　虛擬儀器技術不斷地擴展其功能及應用范圍。現在LabVIEW不僅能在PC上開發(fā)測試程序，而且可以在嵌入式處理器和FPGA上設計硬件。這一技術也將最終提供這樣的一個獨立環(huán)境，使用戶可以從設計測試系統(tǒng)到定義硬件的功能，如圖3所示。測試工程師將能使用合適的功能來進行系統(tǒng)級的設計。當他們需要定義專門的測量功能時

93、，他們也將可以用同樣的軟件工具來“細化”到合適的級別以定義測量的功能。例如，工程師可以開發(fā)LabVIEW程序來使用模塊化儀器進行某些測量，如DC電壓和上升時間。當工程師需要開發(fā)專門的測量時，他們也可以使用LabVIEW對原始的測量數據進行分析，從而開發(fā)出專門的測量，比如峰值檢測。如果在某些情況下他們需要使用一些新的硬件功能來實現測量，如定制的觸發(fā)，那么他們可以用LabVIEW定義一個觸發(fā)和濾波方案，并嵌入到儀器卡上的FPGA中。<

94、/p><p>　　虛擬儀器的發(fā)展隨著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：</p><p>　　1、PC總線——插卡型虛擬儀器</p><p>　　這種方式借助于插入計算機內的數據采集卡與專用的軟件  如LabVIEW相結合它能充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內部的噪聲電平較高

95、，插槽數目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經淘汰，PCI總線的虛擬儀器價格比較昂貴。</p><p>　　2、并行口式虛擬儀器</p><p>　　最新發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、

96、頻率計、數字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數據記錄儀、數據采集器。美國LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機相連，實現臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學實驗室應用。</p><p>　　3、GPIB總線方式的虛擬儀器</p><p>　　GPIB技術是IEEE488標

97、準的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口可帶多達14臺儀器，電纜長度可達40米。GPIB技術可用計算機實現對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。GPIB測量系統(tǒng)的結構和命令簡單，主要應用于臺式儀器，適

98、合于精確度要求高的，但不要求對計算機高速傳輸狀況時應用。</p><p>　　4、VXI總線方式虛擬儀器</p><p>　　VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領域的擴展，它具有穩(wěn)定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標準開放、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應用。經過多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)

99、的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。 </p><p>　　5、PXI總線方式虛擬儀器</p><p>　　PXI總線方式是PCI總線內核技術增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用

100、于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴展性。PXI具有8個擴展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3~4個擴展槽，通過使用PCI—PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。</p><p><b>　　虛擬儀器的發(fā)展過程</b></p><p>　　1、GPIB→VSI→PXI總線方式（

101、適合大型高精度集成系統(tǒng)）GPIB 于1978年問世，VXI于1987年問世，PXI于1997年問世。 </p><p>　　2、PC插卡→并口式→串口USB方式（適合于普及型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應用發(fā)展前景）PC插卡式于80年代初問世，并行口方式于1995年問世，串口USB方式于1999年問世。 </p><p>　　綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個重要因素。①計算機是載體,②軟件是核心

102、③高質量的A/D采集卡及調理放大器是關鍵。</p><p><b>　　3總結</b></p><p>　　虛擬儀器技術已成為測試、工業(yè)I／O和控制和產品設計的主流技術，隨著虛擬儀器技術的功能和性能已被不斷地提高，如今在許多應用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。隨著PC、半導體和軟件功能的進一步更新，未來虛擬儀器技術的發(fā)展將為測試系統(tǒng)的設計提供一個極佳的模式，并且使工

103、程師們在測量和控制方面得到強大功能和靈活性。</p><p>　　可想而知，基于LabVIEW的心率計在測量和使用時可以有更強的適用式和靈活性，同時比一般心率計更容易維護，更重要的是，它能夠在電腦上記錄測量數據并在線傳遞給醫(yī)生，讓病人即使在家里也能得到及時得到醫(yī)生的建議和治療。</p><p><b>　　4參考文獻</b></p><p>　

104、　[1]美國NI公司，NI數據采集技術文摘入門篇</p><p>　　[2]黃松嶺，吳靜.虛擬儀器設計基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2008</p><p>　　[3]鄧炎，王磊等.LabVIEW7.1測試技術與儀器應用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004</p><p>　　[4]秦樹人.虛擬儀器[M].北京：中國計量出版社，2004</p>

105、<p>　　[5]鄧君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[6] 黃松嶺，吳靜，虛擬儀器設計基礎教程，清華大學出版社，2008.10</p><p>　　[7] 陳錫輝, 張銀鴻，LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通，清華大學出版社，2007.07</p><p>

106、　　[8]汪敏生譯.LabVIEW基礎教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[9]National Instruments.DAQ PCI E Series User Manual,Part Number 320945C-01.1997</p><p>　　[10]侯國屏，王珅，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社，2005&

107、lt;/p><p>　　[11] 楊智，袁媛，賈延江，虛擬儀器教學實驗簡明教程:基于LabVIEW的ELVIS，北京航空航天大學出版社，2008.03</p><p><b>　　開題報告</b></p><p>　　基于LabVIEW的心率計設計</p><p><b>　　1選題的背景、意義</b>

108、</p><p>　　人的每分鐘心跳次數是關系到人類健康和生命的最主參數。心率計可以獲取患者的心電信息，從而發(fā)現基中的異常情況，采取相應的處理措施，是降低心臟病死亡率的有效手段之一。而心率計是常用的用于檢測心跳次數的醫(yī)學檢查設備，實時準確的心率測量在病人監(jiān)視、臨床治療及體育競賽等方面都有著廣泛的應用。</p><p>　　但隨著現代醫(yī)學的不斷發(fā)展和進步，人們對各種測量儀器的要求也越來越高。

109、傳統(tǒng)的心電記錄方法主要靠心電圖機來完成，其信號采集、處理和顯示主要由硬件電路完成，電路生產技術要求較高，設備價格較貴，元件參數調試困難、可靠性差，且維護和更新不便。虛擬儀器技術的發(fā)展為改造傳統(tǒng)的心電記錄設備提供了很好的技術支持，它利用計算機強大的軟件處理功能和豐富的硬件資源來組成插卡式虛擬儀器系統(tǒng)，利用豐富的軟件系統(tǒng)實現通常由硬件完成的功能。</p><p>　　虛擬儀器技術，就是用戶在通用計算機平臺上，根據測試

110、任務的需要來定義和設計的測試功能，其實質是充分利用計算機來實現和擴展傳統(tǒng)儀器功能?！败浖褪莾x器”反映了虛擬儀器技術的本質特征。同其他技術相比，虛擬儀器技術具有四大優(yōu)勢：1、性能高2、擴展性強3、開發(fā)時間少 4、無縫集成。[1]</p><p>　　LABVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國NI(National Instrume

111、nt Company)公司推出的一種基于G語言(Graphics Language)的高效的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境。[2]</p><p>　　LabVIEW的高效原因之一就是編譯器。編譯器簡化了諸如內存分配和線程管理等任務。在過去十幾年來，編譯器變得更加聰明。利用LabVIEW 2010，編譯器數據流中間碼被進一步優(yōu)化，LLVM，一種開放源代碼的編譯器架

112、構，被添加到軟件的編譯流以加速代碼執(zhí)行。NI進行了一系列基準測試，從真實客戶應用到低級功能，新的編譯器在基準測試中性能平均提高20%。[3]</p><p>　　NI LabVIEW作為完善的圖形化開發(fā)環(huán)境，幫助數以千計的工程師和科學家有效開展嵌入式應用的設計、原型與部署。NI LabVIEW結合：數百類預先編寫的庫、和現成硬件的緊密集成、各類編程方法(如：圖形化開發(fā)、.m文件腳本，或連接現有C和HDL代碼)。[