CN102138787A - 一种实时信号监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种实时信号监测系统，包括：前端采集装置、数据采集卡外接端子板、数据采集卡、实时信号分析处理模块，其中，所述前端采集装置用于根据来自所述实时信号分析处理模块的控制指令采集现场实时信号，并对所述实时信号进行放大、滤波处理后，将所述实时信号转化为实时电压信号；所述数据采集卡外接端子板分别与所述前端采集装置和所述数据采集卡相连，用于将所述实时电压信号传输到所述数据采集卡内的模拟通道；所述实时信号分析处理模块与所述数据采集卡相连，用于根据预先设置的参数，控制并对所述实时信号转换得到的实时电压信号进行频谱分析，以满足各种非常压条件下实时信号完整性、实时性跟踪监测的要求。

Description

一种实时信号监测系统及方法

技术领域

本发明涉及医疗设备检测领域，尤其涉及一种实时信号监测系统及方法。

背景技术

潜水高气压作业技术研究是针对人体暴露于水下、高气压环境，进行各种作业的通用技术的研究。潜水作业是海洋石油开发、救捞、海洋考古、海洋生物研究等海洋开发的经济、科学活动中必须的重要手段。高气压作业是隧道、水坝等建设项目中施工、设备维修保养，地下工程中灾难救援等的一种重要技术手段。随着科学技术的飞速发展，水下高气压环境的智能工具(如ROV、盾构等)不断涌现，但是大量水下、高气压环境中的复杂、精细操作仍然需要作业人员直接暴露于此特殊环境进行。

人员的安全、高效、舒适是实现潜水高气压作业的基础。“人”是潜水技术的核心。水下、高气压环境是一个特殊的作业环境，对人体有复杂的影响。潜水是在水下高压环境下作业，与常压下相比，无论工作强度、难度和人体的生理指标都有着很大的差别。为保证潜水员的身体健康，并能安全有效地作业，因此通过研究压力变化引起人体生理状态变化，针对不同水下高压下的人体生理状态，进行研究分析是保障人员安全的必须途径。

研究压力变化引起人体生理状态变化主要手段是通过高压舱加压，并进行生理信号的监测跟踪。目前监测跟踪装置作为水下压力生理研究的必要装置，已有多种成熟且工业化的产品，但在潜水医学科学中，进行水下大深度研究的专用设备则很少，目前适用于各种高压或负压条件下，对多种信号采集处理，如对高压或负压环境下，对如气压变化信号、心电信号、脑电信号等进行实时信号监测、描述和分析的跟踪监测装置，尚无专业成熟的产品。

发明内容

基于现有在潜水医学研究领域对多种压力条件下的人体生理学研究技术的需求，本发明提出了一种实时信号监测系统及方法，以提供对各种高压或负压条件下的实时信号监测，克服现有技术的不足。

为了实现以上发明目的，本发明实施例所提供的一种实时信号监测系统是通过以下的技术方案实现的：

一种实时信号监测系统，包括前端采集装置、数据采集卡外接端子板、数据采集卡、实时信号分析处理模块，其中，

所述前端采集装置用于采集现场实时信号，并对所述实时信号进行放大、滤波处理后，将所述实时信号转化为实时电压信号；

所述数据采集卡外接端子板与所述数据采集卡相连，用于将所述实时电压信号传输到所述数据采集卡内的模拟通道；

所述实时信号分析处理模块与所述数据采集卡相连，用于根据预先设置的参数，指令所述前端采集装置采集实时信号，并对所述实时信号转换得到的实时电压信号值进行频谱分析。

优选地，所述前端采集装置包括放大器、滤波器、传感器和接口电路，所述接口电路与所述数据采集卡外接端子板相连；

优选地，所述实时信号包括气压信号、心电信号或脑电信号；

优选地，所述实时信号分析处理模块包括：

控制子模块，用于控制是否开始进行实时信号数据的采集；

设置子模块，用于设置要预先设置的参数，所述参数包括所述前端采集装置参数和采集频率、所述数据采集卡的模拟通道号、系统电压量程和所述实时电压信号量程；

分析子模块，用于对所述实时电压信号值进行频谱分析得到实时信号时域波形或实时信号频域波形；

显示子模块，用于显示实时电压信号值、所述实时信号时域波形或所述实时信号频域波形；

存储子模块，用于将所述频谱分析后得到的结果以一文件形式存储。

为了实现本发明的目的，本发明实施例还提供了一种实时信号监测方法，所述方法包括：

实时信号分析处理模块根据预先设置的参数，指令前端采集装置采集实时信号；

所述前端采集装置采集现场实时信号，并对所述实时信号进行放大、滤波处理后，将所述实时信号转化为实时电压信号；

数据采集卡外接端子板将所述实时电压信号传输到数据采集卡内指定的模拟通道；

所述实时信号分析处理模块接收到所述实时电压信号数据，并对所述实时电压信号进行频谱分析。

优选地，所述实时信号包括气压信号、心电信号或脑电信号。

优选地，所述预先设置的参数包括所述前端采集装置参数和采集频率、所述数据采集卡的模拟通道号、系统电压量程和所述实时电压信号量程。

优选地，所述对所述实时电压信号进行频谱分析包括对所述实时电压信号进行实时信号时域分析得到实时信号时域波形，或实时信号频域分析得到实时信号频域波形。

优选地，所述方法还包括用于在显示界面显示实时电压信号值、所述实时信号时域波形或所述实时信号频域波形。

优选地，所述方法还包括将所述频谱分析后得到的结果以一文件形式存储。

本发明实施例提供的实时信号监测系统和方法，能很好地满足高压或负压条件下信号实时跟踪监测的要求，所记录和分析的实时信号数据有着较高完整性、可靠性、实时性，有利于非常压状态下人体生理医学的研究。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为本发明实施例1实时信号监测系统的结构图；

图2为本发明实施例1接口电路的电路图；

图3为本发明实施例2实时信号监测系统的结构图；

图4为本发明实施例3实时信号监测方法的流程图。

具体实施方式

如图1为本发明实施例1实时信号监测系统的结构图。

一种实时信号监测系统，包括前端采集装置、数据采集卡外接端子板、数据采集卡、实时信号分析处理模块，其中，

所述前端采集装置用于采集现场实时信号，并对所述实时信号进行放大、滤波处理后，将所述实时信号转化为实时电压信号；

所述数据采集卡外接端子板同时与所述数据采集卡相连，用于将所述实时电压信号传输到所述数据采集卡内的模拟通道；

所述实时信号分析处理模块与所述数据采集卡相连，用于根据预先设置的参数，指令所述前端采集装置采集实时信号，并对所述实时信号转换得到的实时电压信号值进行频谱分析。

所述前端采集装置根据来自实时信号分析处理模块的控制指令，负责通过传感器及时精确地获取现场实时变化的信号，优选地，所述实时变化的信号包括气压信号、心电信号或脑电信号，并通过放大器对采集到的实时信号进行放大处理、滤波器进行滤波处理，最后将实时信号转化为本监测系统量程范围内的实时电压信号值。

所述前端采集装置包括放大器、滤波器、传感器和接口电路，如图2为接口电路的电路图。所述接口电路与传感器和所述数据采集卡外接端子板分别相连，数据采集卡与所述数据采集卡外接端子板相连，由本系统后端的数据采集卡对所述实时电压信号的值进行采集、模数转换。

本发明实施例1所述的实时信号监测系统在具体实施过程中，会根据不同的实际应用，采用不同的前端采集装置，例如，如果要描记心电、脑电图，所述前端采集装置需要采用生物电传感器，相应地，需要采用精密放大器、滤波器等装置，将微弱的生物电信号不失真地放大和滤波。

其中，所述数据采集卡外接端子板是数据采集卡模拟通道和其他对外接口的延伸，使得用户能够很方便地将数据采集卡内的模拟通道同前端采集装置的输出连接起来。

本发明实施例1所述的数据采集卡，以采用32路PCI工业数据采集卡为例，该32路PCI工业数据采集卡的主要性能指标如下：

(1)采集精度：如12比特的A/D转换器

(2)转换速度：2.5us

(3)分辨率：100kHz

(4)接口类型：PCI总线接口

(5)输入通道：32路单端模拟输入或16路差分模拟输入，各输入通道相互隔离，每一路输入模拟通道增益可编程控制，各通道自动增益扫描

(7)板载4k F IFO缓存

(8)输入电压范围：差分输入：±10V，±5V，±2.5V，±1.25V，±0.625V；单端输入：0～10V，0～5V，0～2.5V，0～1.25V

实时信号分析处理模块通过与其连接的数据采集卡，得到实时变化的信号的转换电压值，并对所述实时信号转换得到的实时电压信号值进行频谱分析。

优选地，本发明实施例2所提供的实时信号监测系统，所述实时信号分析处理模块包括：

控制子模块，用于控制是否开始进行实时信号数据的采集；

设置子模块，用于设置要预先设置的参数，所述参数包括所述前端采集装置参数和采集频率、所述数据采集卡的模拟通道号、系统电压量程和所述实时电压信号量程；

分析子模块，用于对所述实时电压信号值进行频谱分析得到实时信号时域波形或实时信号频域波形；

显示子模块，用于显示实时电压信号值、所述实时信号时域波形或所述实时信号频域波形；

存储子模块，用于将所述频谱分析后得到的结果以一文件形式存储。

所述实时信号分析处理模块包括如下的功能：实时信号跟踪功能和信号波形显示分析功能，本发明实施例2所述的系统，将指令进行实时信号数据的采集和实时分段信号的频谱分析。

启动数据采集的程序，当点击“实时信号跟踪“启动跟踪程序后，本系统处于开机等待状态，电源指示灯亮，设置子模块此时可以进行用户所需要的各种控制参数的预先设置；

前端采集装置参数设置：以前端采集装置采用US300负压传感器为例，本发明实施例2的实时信号监测系统所有的默认设置都针对采用US300负压传感器作为前端采集装置的传感器为设置，假设本系统应用于舱内负压条件下(低于1个大气压)的实时信号跟踪和监控。因此，在这种应用时，不需要对前端采集装置的设置做任何修改。在其他应用中，则要根据前端采集装置的性能指标的不同和实际应用的情况进行合理的设置；

扫描频率设置：扫描频率单位是赫兹(Hz)，决定了数据采集的速率，采集速率越高，系统对实时信号跟踪监测的精度越高，但同时，实时信号数据的值占据的磁盘空间会越大。因此，要根据实际的使用情况合理选取扫描频率，频率大小只要满足使用要求即可，默认的应用设置扫描频率为10Hz，最终的扫描频率等于基本频率与倍增频率的乘积；

系统参数设置：1、数据采集卡的模拟通道选择，以选择现场实时信号输入的模拟通道号。现场实时信号从数据采集卡上的哪个模拟通道输入就在I/O设置中输入相应的序号，选择范围是0～31，通常以15通道预留为默认应用，在其他应用中不可以使用这个通道。

系统电压量程设置：设置本实时信号监测系统允许输入电压的档位范围，这是该系统电压量程。根据实际采集得到的实时信号大小范围选择最合适的系统电压量程。比如，默认应用中，US300负压传感器经过转换电路以后输出电压范围为1～5V，因此应该选择电压量程为0～5V档，才能保证最大的精度，如果选择了0～10V档，则损失了一半的精度。

实时电压信号量程设置：传感器输出电压是指前端采集装置最终输出到数据采集卡的实时电压范围。默认设置中，对于US300负压传感器，经过转换电路后电压范围是1～5V，则以这个电压范围作为实施电压信号量程。实时电压信号量程是指传感器测量的最大最小信号范围，为了通用性，可以由用户自定指定信号的单位。比如，US300负压传感器的测量范围是0～15psi，可以输入0和15，此时单位是“磅力/平方英寸(psi)”，最终测量结果中曲线图所显示的数值单位就是psi。又如，以中国的压力表示单位为例，默认设置就为0～103.422kPa(与0～15psi是一致的)，则曲线图中显示的数值单位是kPa。其他单位依此类推，用户可以自由设置自己所习惯的单位。

存储子模块波形存储：本系统的存储子模块，还可以存储每次实时信号跟踪监测得到的波形数据，以文件形式存储。用户可以自由选择在每一次启动跟踪时的文件存储属性，每次启动跟踪时会跳出文件选择路径的对话框，方便用户选择合适的存储路径。如果不想在每次启动跟踪时都跳出对话框，则关闭这个文件存储路径开关，在默认文件路径中输入自己想存储的文件名和路径，则不会跳出对话框，波形自动存储在指定的文件中。有时用户可能只是想临时看看实时信号波形，不想存储文件(因为存储所有的数据会占用很大的存储空间)，则关闭此文件存储开关即可。波形文件的存储格式可根据系统支持的格式自行选取。

控制子模块操作控制：在本系统开机启动后，由控制子模块控制是否进行现场实时信号的跟踪。当控制子模块指令启动实时信号的监测时，系统的前端采集装置开始进行对现场实时信号波形的采集，实时信号分析处理模块则通过国数据采集卡得到实时信号的数值，进行显示和频谱分析的工作；控制子模块同时也可指令结束跟踪的动作，系统回到开机等待状态。

显示子模块波形显示：实时信号数值显示，通过系统显示子模块的显示面板上的“压力表”实时显示当前的实时信号的电压力值，可以在监测系统运行状态中改变该系统“压力表”的量程，以适合实际应用情况。数值的单位与传感器设置中实时电压信号量程中所设置的一致；实时信号时域波形显示，通过系统显示子模块的主窗口显示，X轴为波形记录的时间，包括日期和具体时间，精确到毫秒。Y轴为现场实时信号的电压数值大小，数值的单位与传感器设置中实时电压信号量程中所设置的一致，可以拖动滚动条查看历史波形。可以任意修改X轴的时间数值，以放大和缩小波形，符合用户不同的观察分析需要；信号频域波形显示，根据前端采集装置的采样频率，设置采样点数，分析分段现场实时信号的频谱。一般如果要看分段信号实时频谱的话，采样频率应该设置在50Hz以上。

当我们要分析整个波形的频谱时，则通过分析子模块进一步分析，并通过显示子模块之显示界面查看。

本系统分析子模块调用记录到的波形信息，经过信号处理显示出一次记录的全波形、分段波形细节和信号频谱，通过调用前述存储子模块中的波形文件，对所述波形进行分析处理后，显示在主显示界面上。

时域波形属性显示，信号波形时域特性以数值形式显示，包括该次波形记录起始时间，具体日期、时间(精确到毫秒)，该次波形记录了多长时间、波形采样频率以及采样间隔时间等。

波形显示控制，主波形界面显示该文件中的完整波形图，用来显示一次跟踪的波形概貌。X轴为相对时间，原点为0秒，终点为此次跟踪持续时间。例如，如果一次跟踪做了10秒钟，则终点刻度为10，中间的刻度值平均分配显示；Y轴为现场记录的实时信号的电压值，单位与现场进行波形跟踪记录时预先设定的单位一致。光标值显示：可通过显示子模块的显示界面光标，取得波形中某一点信号的具体数值。而波形曲线的放大缩小，通过修改X轴起点和终点时间值来实现。例如，一次跟踪记录了60秒钟的波形，想查看35～40秒之间的波形细节，就可以将X轴起点改为35，终点改为40即可。缩小波形也是用这种方法实现。也可以修改波形曲线的显示属性，如可以修改波形曲线的外观，如点的描绘形状、波形曲线类型、颜色、连线形状、连线宽度、直方图类型、曲线插值等等，以更加能够反映实际信号的外观属性。

时域波形分段显示，同主界面显示的波形是一致的，用以实现波形曲线的分段细节显示。X轴为具体的日期和时间，这里为绝对时间，时间信息包含的内容更为丰富和具体，如第二行为实时信号跟踪的日期，如2007-1-15；第一行为具体跟踪的时间如10:10:05.505，是指波形记录到这个点的时间为10点10分5秒505毫秒，精确到毫秒级。Y轴为记录的实时信号值，单位与现场进行波形跟踪记录时预先设定的单位一致。而波形曲线的放大缩小，可通过用修改X轴时间的起点时刻和终点时刻来实现。方法同主波形图的放大和缩小类似。信号频谱分析，将一次跟踪的整体波形进行快速傅立叶变换，把时域信息变换到频域上，并将频谱显示出来。从这里可以清楚地看到本次跟踪波形的各个频谱分量、谐波信息等等。

如此一来，我们除了能够采集各个现场的各种实时信号外，还可以将所述实时信号的数据实时记录并作相应的数值分析，时域分析及频域分析，所述分析和记录皆为研究和实际临床数据的重要依据。

如图4所示，本发明实施例3提供了一种实时信号监测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、实时信号分析处理模块根据预先设置的参数，指令前端采集装置采集实时信号；

步骤二、所述前端采集装置采集现场实时信号，并对所述实时信号进行放大、滤波处理后，将所述实时信号转化为实时电压信号；

步骤三、数据采集卡外接端子板将所述实时电压信号传输到数据采集卡内指定的模拟通道；

步骤四、所述实时信号分析处理模块接收到所述实时电压信号数据，并对所述实时电压信号进行频谱分析。

本发明实施例3提供的实时信号监测方法，其中对实时信号进行采集的前端采集装置、数据采集卡、数据采集卡外接端子板和实时信号分析处理模块之功能和连接方式，如本发明实施例1所述一致，这里不再一一赘述。

进一步地，所述实时信号包括气压信号、心电信号或脑电信号，应用于不同的现场，有利于对不同状况下的数据采集和分析。

进一步地，所述预先设置的参数包括所述前端采集装置参数和采集频率、所述数据采集卡的模拟通道号、系统电压量程和所述实时电压信号量程。上述参数的设置说明如本发明实施例2所述的实时信号分析处理模块的个子模块的功能所述一致，这里不再一一赘述。

进一步地，所述对所述实时电压信号进行频谱分析包括对所述实时电压信号进行实时信号时域分析得到实时信号时域波形，或实时信号频域分析得到实时信号频域波形。所述频谱分析的过程，如本发明实施例2所述的分析子模块对波形分析的叙述，并进一步对所述实时信号时域波形或实时信号时域波形进行全波形、分段时域波形或信号频谱分析，如上述分析子模块的分析功能叙述和说明一致，这里不再一一赘述。

进一步地，所述方法还包括用于在显示界面显示实时电压信号值、所述实时信号时域波形或所述实时信号频域波形，进一步地，所述方法还包括将所述频谱分析后得到的结果以一文件形式存储，如本发明实施例2存储子模块的存储控制一样，这里不再一一赘述。

本领域技术人员应该认识到，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了使本领域技术人员能够更好的理解本专利内容，不应理解为是对本专利保护范围的限制，只要是根据本专利所揭示精神所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利保护范围。

Claims (11)

1.一种实时信号监测系统，其特征在于，所述系统包括前端采集装置、数据采集卡外接端子板、数据采集卡、实时信号分析处理模块，其中，

所述前端采集装置用于根据来自所述实时信号分析处理模块的控制指令采集现场实时信号，并对所述实时信号进行放大、滤波处理后，将所述实时信号转化为实时电压信号；

所述数据采集卡外接端子板分别与所述前端采集装置和所述数据采集卡相连，用于将所述实时电压信号传输到所述数据采集卡内的模拟通道；

所述实时信号分析处理模块与所述数据采集卡相连，用于根据预先设置的参数，控制所述前端采集装置采集实时信号，并对所述实时信号转换得到的实时电压信号进行频谱分析。

2.根据权利要求1所述的实时信号监测系统，其特征在于，所述前端采集装置包括放大器、滤波器、传感器和接口电路，所述接口电路与所述数据采集卡外接端子板相连。

3.根据权利要求2所述的实时信号监测系统，其特征在于，所述实时信号包括气压信号、心电信号或脑电信号。

4.根据权利要求2所述的实时信号监测系统，其特征在于，所述实时信号分析处理模块包括：

控制子模块，用于控制是否开始进行实时信号数据的采集；

设置子模块，用于设置要预先设置的参数，所述参数包括所述前端采集装置参数和采集频率、所述数据采集卡的模拟通道号、系统电压量程和所述实时电压信号量程；

分析子模块，用于对所述实时电压信号值进行频谱分析得到实时信号时域波形或实时信号频域波形；

显示子模块，用于显示实时电压信号值、所述实时信号时域波形或所述实时信号频域波形；

存储子模块，用于将所述频谱分析后得到的结果以一文件形式存储。

5.根据权利要求4所述的实时信号监测系统，其特征在于，

所述分析子模块，还用于进一步对所述实时信号时域波形或实时信号时域波形进行全波形、分段时域波形或信号频谱分析。

6.一种实时信号监测方法，其特征在于，所述方法包括：

实时信号分析处理模块根据预先设置的参数，指令前端采集装置采集实时信号；

所述前端采集装置采集现场实时信号，并对所述实时信号进行放大、滤波处理后，将所述实时信号转化为实时电压信号；

数据采集卡外接端子板将所述实时电压信号传输到数据采集卡内指定的模拟通道；

所述实时信号分析处理模块接收到所述实时电压信号数据，并对所述实时电压信号进行频谱分析。

7.根据权利要求6所述的实时信号监测方法，其特征在于，所述实时信号包括气压信号、心电信号或脑电信号。

8.根据权利要求6所述的实时信号监测方法，其特征在于，

所述预先设置的参数包括所述前端采集装置参数和采集频率、所述数据采集卡的模拟通道号、系统电压量程和所述实时电压信号量程。

9.根据权利要求6所述的实时信号监测方法，其特征在于，

所述对所述实时电压信号进行频谱分析包括对所述实时电压信号进行实时信号时域分析得到实时信号时域波形，或实时信号频域分析得到实时信号频域波形。

10.根据权利要求9所述的实时信号监测方法，其特征在于，所述方法还包括用于在显示界面显示实时电压信号值、所述实时信号时域波形或所述实时信号频域波形。

11.根据权利要求9所述的实时信号监测方法，其特征在于，所述方法还包括将所述频谱分析后得到的结果以一文件形式存储。

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