专利名称：一种可多通道输出的生物电信号仿真系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种生物电信号仿真系统，且特别是一种能由上位机软件设置相关参数，通过计算机操作的，可根据需要选择和仿真多个通道相关生物电信号的系统。
背景技术：
对人自身，特别是对人的健康的关注和追求，是人类社会的一个永恒话题。但是疾病和各种其它外部伤害却自始至终伴随着人类社会的发展一路走来，给人带来了痛苦，甚至造成无法挽回的后果。随着科技的日益发展，人们开始致力于基于生物电信号的可植入式系统的研发，希望借由相关系统掌握人体内的相关信息，用于健康的监护、疾病的诊断， 并且可从人体内部进行非手术式的干预，实现健康的维护和疾病的治疗。对于基于生物电信号的可植入式系统的研发而言，一个无法回避的问题是如何获取信号源用于相关系统设计过程中的测试？传统的方法是采用动物实验。采用动物实验需要特定的条件和人员， 耗时且费力，不方便，而且对于某个阶段、某些模块的开发也是不需要的。因此，通过简便的方式获取生物电信号是值得探索的方向之一。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种可多通道输出的生物电信号仿真系统，是一种生物电信号仿真系统，既可使用在基于生物电信号的可植入式系统的测试中，也可应用于以生物电信号为目标或与生物电信号相关的其它特定领域中。使用该系统能方便地产生适合的生物电信号，提供给后面的信号处理系统使用，大大提高了研发效率。本实用新型通过以下技术方案实现。一种可多通道输出的生物电信号仿真系统，其特征在于包括用于相关参数的设置和发送的PC上位机和用于输出生物仿真信号的硬件模块，所述相关参数包括输出信号峰峰值、输出信号频率及输出通道数；所述硬件模块包括电源模块、MCU (微控制单元)控制模块、PC接口模块、DAC (数模转换控制器)模块、滤波电路模块。电源模块分别与MCU控制模块、PC接口模块、DAC模块、滤波电路模块连接，以提供能量；MCU控制模块的数据输入端与 PC接口模块连接，以获取上位机所设置的相关参数；MCU控制模块的数据输出端与DAC模块的数据输入端连接，以控制DAC模块按照相关设置参数输出特定信号；DAC模块的信号输出端与滤波电路模块的输入端连接，以滤除某些高频干扰。上述的生物电信号仿真系统中，所述PC接口模块通过RS232总线与PC上位机连接。上述的生物电信号仿真系统中，所述DAC模块最多可产生8通道输出信号，由DAC 芯片通过两级级联的方式构成，即第一级DAC芯片的电压输出端与第二级DAC芯片的参考电压输入端连接。第一级的输出电压作为第二级的参考电压输入，通过改变第一级DAC芯片的待转换数据来调整其输出，从而改变第二级DAC芯片的参考电压，实现对输出信号峰峰值的调整。[0007]上述的生物电信号仿真系统中，所述滤波电路采用电阻可调的有源低通滤波电路，可根据实际情况调整，获得合适的滤波性能。本实用新型的工作原理如下MCU控制模块中存储着生物电信号的基本数据，电脑通过RS232串口与MCU控制模块进行通信，通信中将传递3个重要设置参数，分别是输出信号峰峰值、输出信号频率和输出通道数。参数的设置和发送通过上位机软件来执行。在工作过程中，MCU控制模块一方面利用自己的串口与上位机实现通信，获得进行控制所需要的参数，一方面根据所获得的设置参数输出相应的控制信号和数据，控制DAC模块，实现输出信号的更新。根据它的任务特点，MCU控制模块与上位机的通信采用中断方式进行，与 DAC模块的通信采用循环方式进行，这样既可以及时响应上位机的通信要求，又可以避免耗费太多时间在串口通信上面，影响输出信号的频率。为使输出信号的峰峰值可以通过运行于上位机中的上位机进行调整，必须有两级的DAC芯片，其中第一级的输出电压作为第二级的参考电压输入，通过改变第一级DAC芯片的待转换数据来调整其输出，从而改变第二级DAC芯片的参考电压，达到调整输出信号峰峰值的目的。输出通道数的选择与输出信号频率的选择可分别通过DAC芯片的片选信号、相邻两组待转换数据之间的延时实现。由于生物电信号的峰峰值较小，很容易受到元件内部噪声和外部环境噪声的干扰，因此在DAC模块的输出端加入可调整滤波频率的滤波电路，以得到相对理想的输出波形。所述输出信号频率为基本波形的重复频率，频率范围从20Hz到IOKHz ；所述输出信号峰峰值的数量级范围从几百微伏到几毫伏；输出通道数可选1至8个通道。所述的可多通道输出的生物电信号仿真系统中，硬件模块通过PC接口模块获得上位机发送过来的所述参数后，MCU控制模块通过延时参数的改变实现输出信号频率的修改，通过DAC芯片两级级联方式中第一级芯片的输入码的改变实现输出信号峰峰值的修改，通过DAC芯片的片选信号的改变实现输出通道数的修改。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和效果多数生物电信号，比如神经信号、心电信号，都是由一个基本波形不断重复而形成的。不同种类生物电信号的变化主要体现在基本波形的不同以及相邻基本波形之间的时间间隔的不同。本实用新型可通过改变波形的形状和峰峰值来模拟生物电信号的基本波形，通过改变基本波形重复输出的频率来模拟生物电信号基本波形之间的时间间隔，从而实现仿真不同生物电信号的目的。本实用新型使用简单，只需有PC机就可设置相关参数从而获得所需要的生物电信号的仿真信号，并可根据实际需要调整滤波电路参数获得相对理想的滤波效果。本实用新型采用DAC芯片两级级联方式进行分压来实现毫伏级的微小信号输出，消除了传统的电阻分压电路引入的内部噪声大、容易将输出信号淹没的缺点。与传统的通过动物实验获得生物电信号的方式相比，本实用新型更加节省时间和费用，缩短了研发周期；与一般的通过信号发生器产生方波、正弦波等规则的信号作为测试用的信号源相比，本实用新型所提供的信号与真实信号更加接近，所得的测试结果更具参考意义。
图1为所述生物电信号仿真系统整体框图。图2为图1所述生物电信号仿真系统中的硬件模块结构框图。[0015]图3为图2所述硬件模块中的DAC模块结构框图。图4为图3所述DAC模块中的DAC芯片两级级联方式示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本实用新型的具体实施作进一步说明，但本实用新型的实施和保护范围不限于此。图1所示为所述生物电信号仿真系统整体框图，包括上位机和硬件模块两大部分。上位机运行在PC上位机上，功能在于设置所要仿真的生物电信号的重要参数并将这些参数发送给硬件模块，硬件模块根据所得到的设置参数输出相应波形。在上位机中可以设置的参数包括输出信号频率，该频率为基本波形的重复频率，范围从20Hz到IOKHz ；输出信号峰峰值，范围从几百微伏到几毫伏；输出通道数，1至8个通道可选。以上参数还可根据实际需要灵活调整。图2所示为所述生物电信号仿真系统的硬件模块结构框图，包括电源模块、MCU控制模块(包括一个MCU)、PC接口模块(RS232串行通信接口)、DAC模块、滤波电路模块。多数生物电信号，比如神经信号、心电信号，都是由一个基本波形不断重复而形成的。不同种类生物电信号的变化主要体现在基本波形的不同以及相邻基本波形之间的时间间隔的不同。 本实用新型通过改变波形的形状和峰峰值来模拟生物电信号的基本波形，通过改变基本波形重复输出的频率来模拟生物电信号基本波形之间的时间间隔，从而实现仿真不同生物电信号的目的。将已经提取出来的生物电信号的基本波形数据存储在MCU控制模块中，硬件模块复位后，会根据默认的设置参数输出仿真信号。倘若需要更改设置参数，则可通过上位机进行设置并通过RS232总线发送给硬件模块。在通过PC接口模块获得上位机发送过来的控制参数，即输出信号频率、输出信号峰峰值和输出通道数后，MCU控制模块会通过延时参数的改变实现输出信号频率的修改，通过DAC芯片两级级联方式中第一级芯片的输入码的改变实现输出信号峰峰值的修改，通过DAC芯片的片选信号的改变实现输出通道数的修改。参数修改完毕后，硬件模块将按照新设置的参数输出仿真信号。图3所示为所述生物电信号仿真器的DAC模块结构框图，由DAC芯片两级级联方式构成，共有8通道输出。DACl为两级级联方式中的第一级，DAC2-1至DAC2-8为两级级联方式中的第二级。其中第一级DAC芯片的输出电压作为第二级所有DAC芯片的参考电压输入。图4所示即为两级级联方式示意图，其中a代表自然数1至8中的任何一个，也就是说 DAC2-a代表第二级DAC芯片中的任何一个。在功能上，DAC芯片的两级级联方式有两种作用。第一，可直接通过上位机设置输出信号峰峰值，而不是像传统的仪器那样采用旋钮进行手动调节。当MCU控制模块得到从上位机传过来的输出信号峰峰值参数后，先通过片选信号选中图4中的DAC1，然后依据参数选择对应的待转换码发送给数模转换芯片DAC1，并启动DACl的数模转换过程，转换完毕后，DACl的输出信号便相应更新，因为DACl的电压输出端与DAC2-a的参考电压输入端相连接，所以DAC2-a的参考电压也相应改变，从而DAC2_a 的输出信号峰峰值就依据所设置的参数发生了变化。第二，生物电信号峰峰值较小，通常为毫伏级，可能的做法之一是将数模转换芯片的输出信号通过电阻构成的分压电路以获得足够小的信号，但是采用分立元件所构成的电路的内部噪声大，容易将输出信号淹没。如果采用DAC芯片两级级联方式就可通过高精度数模转换芯片的降格使用实现分压的功能，从而避免因为电阻分压电路的引入带来的干扰。例如，芯片DACl与DAC2-a均为12位的数模转换芯片，其满量程待转换码的值为212 -1= 4095，倘若我们在编码时将DACl当成8位的数模转换芯片，将其满量程待转换码的值当成只有28 -1= 255，则相当于对DAC2-a的输出信号进行了 1 :24的分压，变为原来的1/16，如果在编码时也将DAC2-a当成8位的数模转换芯片使用，则相当于又对DAC2-a的输出信号进行了 1 :24的分压，进一步变为最初信号的 1/256。采用两级级联的方式既可保证有足够宽的分压范围，又可使数模转换芯片能有足够的位数将一定数量的待转换码区分开来，减小由此而产生的基本波形的变化。 综上所述，本实用新型能通过上位机设置的参数，方便地产生峰峰值小至毫伏级的生物电信号，相较于传统方法更加省时省力，大大提高了效率。
权利要求1.一种可多通道输出的生物电信号仿真系统，其特征在于包括用于相关参数的设置和发送的PC上位机和用于输出生物仿真信号的硬件模块，所述相关参数包括输出信号峰峰值、输出信号频率及输出通道数；所述硬件模块包括电源模块、MCU控制模块、PC接口模块、 能产生8通道输出信号的DAC模块、滤波电路模块；电源模块分别与MCU控制模块、PC接口模块、能产生8通道输出信号的DAC模块、滤波电路模块连接；MCU控制模块的数据输入端与PC接口模块连接；MCU控制模块的数据输出端与所述DAC模块的数据输入端连接；所述 DAC模块的信号输出端与滤波电路模块的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的可多通道输出的生物电信号仿真系统，其特征在于，所述PC 接口模块通过RS232总线与PC上位机连接。
3.根据权利要求1所述的可多通道输出的生物电信号仿真系统，其特征在于，所述DAC 模块由DAC芯片通过两级级联的方式构成，第一级DAC芯片的电压输出端与第二级DAC芯片的参考电压输入端连接。
4.根据权利要求3所述的可多通道输出的生物电信号仿真系统，其特征在于，所述DAC 模块的第一级DAC芯片包括一个DAC芯片；第二级DAC芯片包括8个DAC芯片，每个DAC芯片对应一个输出通道。
5.根据权利要求1所述的可多通道输出的生物电信号仿真系统，其特征在于，所述滤波电路采用电阻可调的有源低通滤波电路。
专利摘要本实用新型公开一种可多通道输出的生物电信号仿真系统，包括PC上位机和硬件模块，上位机用于相关参数的设置和发送；硬件模块包括电源模块、MCU控制模块、PC接口模块、DAC模块、滤波电路模块。MCU控制模块一方面通过PC接口模块与上位机通信，获取相关参数，一方面控制DAC模块按照相关参数输出信号；DAC模块采用两级级联的方式实现输出信号峰峰值的控制和分压的功能；滤波电路用来滤除某些高频干扰，其滤波频率可调。本实用新型可根据需要选择和仿真多个通道相关生物电信号。本实用新型采用DAC芯片两级级联方式进行分压来实现毫伏级的微小信号输出，消除了传统的电阻分压电路引入的内部噪声大、容易将输出信号淹没的缺点。
文档编号G06F19/10GK202217280SQ201120305579
公开日2012年5月9日 申请日期2011年8月22日 优先权日2011年8月22日
发明者刘汉华, 吴朝晖, 李斌, 李显博 申请人:华南理工大学