CN107121958B - 一种用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统 - Google Patents
一种用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统，其包括：8个模拟传感器，分别用来检测两只手的腕关节、肘关节、肩关节和手部的压力，并实时输出相应的8路电压信号；数字传感器，检测心脏的心率，并实时输出相应心电压力信号；电压采集电路，收集8路电压信号，并转换成1路输入信号DOUT；前置放大电路，对心电压力信号做两级放大处理形成1路输入信号ADC；中央处理器，接收输入信号DOUT和输入信号ADC，并形成1路串行数据进行传输。本发明主要应用在医疗康复领域的康复医疗设备的精确信号采集，达到多种信号多路的同时实时采集，达到复杂信号的测量目的，实现多路信号的混合测量，也便于上位机进行实时显示。
Description
技术领域
本发明涉及医疗领域中的一种医疗康复设备，具体是一种用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统。
背景技术
随着中国老龄化的进程加快，越来越多的老人的健康问题逐步成为社会问题，脑卒中是老年人普遍发生的一种疾病，有着发病率高、死亡率高、致残率高的特点，对老年人的健康威胁重大。脑卒中是导致患者偏瘫的重要因素，偏瘫可直接造成患者的运功功能及日常生活自理能力逐渐丧失，对患者的生活质量带来了严重影响。因此出现了很多的医疗康复设备帮助老年人康复治疗，在医疗康复设备中需要很多传感器对病人的康复情况和康复的过程进行实时监控，因此需要一款稳定的多用途的医用信号检测系统。
现有的医用信号检测系统多数采集信号单一，体积过大不方便携带，针对性差，因此开发针对医疗康复设备的小型化多通道混合信号采集系统迫在眉睫。
发明内容
本发明针对现有的医用信号检测系统多数采集信号单一，体积过大不方便携带，针对性差的技术问题，本发明提供一种用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统。
本发明所需要解决的技术问题，可以通过以下技术方案来实现：一种用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统，其包括：
8个模拟传感器，分别用来检测两只手的腕关节、肘关节、肩关节和手部的压力，并实时输出相应的8路电压信号IN0～IN7；
数字传感器，检测心脏的心率，并实时输出相应心电压力信号IN8；
电压采集电路，收集8路电压信号IN0～IN7，并转换成1路输入信号DOUT；
前置放大电路，对心电压力信号IN8做两级放大处理形成1路输入信号ADC；以及
中央处理器，接收输入信号DOUT和输入信号ADC，并形成1路串行数据进行传输。
作为上述方案的进一步改进，所述多通道混合信号采集系统还包括信号处理电路，所述信号处理电路采用：在8路电压信号IN0～IN7上分别串联一个100Ω的小阻值的电阻，再分别同时并联一个1nF的小电容值的电容和一个电阻，才作为电压采集电路的8路输入信号CH0～CH7。
作为上述方案的进一步改进，前置放大电路包括两个放大器U7A、U7B和六个电阻R30～R35；放大器U7A的同相端经由电阻R30接收心电压力信号IN8，放大器U7A的反相端一方面经由电阻R31接地，另一方面经由电阻R32连接放大器U7A的输出端；放大器U7B的同相端经由电阻R34连接放大器U7A的输出端，放大器U7B的反相端一方面经由电阻R33接地，另一方面经由电阻R35连接放大器U7B的输出端，放大器U7B的输出端输出中央处理器的输入信号ADC。
进一步地，放大器采用运放芯片OPA2333。
作为上述方案的进一步改进，电压采集电路采用芯片ADS1256。
进一步地，芯片ADS1256的引脚AVDD与地接并联的两个电容C17和C16；芯片ADS1256的引脚DVDD与地接并联的两个电容C23和C24，其中电容C16为电解电容。
作为上述方案的进一步改进，所述多通道混合信号采集系统还包括与中央处理器连接的下载电路，实现中央处理器的程序下载和仿真的同时进行。
作为上述方案的进一步改进，所述多通道混合信号采集系统还包括与中央处理器连接的接口电路，所述串行数据通过接口电路实现传输。
作为上述方案的进一步改进，所述多通道混合信号采集系统还包括复位电路，复位电路用于中央处理器程序下载前复位对正在运行的程序终止。
作为上述方案的进一步改进，所述多通道混合信号采集系统还包括电源电路，电源电路用于对所述多通道混合信号采集系统的各部件供电。
本发明的多通道混合信号采集系统主要应用在医疗康复领域的康复医疗设备的精确信号采集，在医疗康复设备中需要同时对多种不同类型的信号进行采集，要考虑数据采集时的兼容性，针对这种市场需求设计本采集系统，多路信号混合输入，处理后统一输送到上位机处理，达到多种信号多路的同时实时采集，达到复杂信号的测量目的，实现多路信号的混合测量，也便于上位机进行实时显示。
附图说明
图1为本发明的用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统的框图。
图2为图1中8个模拟传感器1与电压采集电路之间增设的信号处理电路的电路图。
图3为图1中前置放大电路的电路图。
图4为图1中电压采集电路的电路图。
图5为图1中中央处理器的电路图。
图6为图1中下载电路的电路图。
图7为图1中复位电路的电路图。
图8为图1中电源电路的电路图。
图9为图1中复用外接电路的电路图。
图10为图1中接口电路的电路图。
图11为图1中基准电压电路的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，其为本发明的多通道混合信号采集系统的模块示意图，多通道混合信号采集系统是针对医疗康复设备开发设计的。
根据医疗康复设备的机械结构，需要对患者两只手的腕关节、肘关节、肩关节运动和手部共计8处的压力，进行实时的数据采集、转换及与上位机的通信。可根据安装在关节处的传感器类型来设计多通道混合信号采集系统，把采集到的电压信号传送到下位机进行储存。除此之外，还需要对患者心脏的心率，进行实时的数据采集、转换及与上位机的通信。心率属于微弱信号，采用数字传感器进行数字信号采集得到对应的心电压力信号，用于了解患者的康复情况。
因此，康复医疗设备被采集的信号种类繁多，需要多路信号通道，但考虑到数据采集系统对康复医疗设备的机械结构的兼容性，设计多通道混合信号采集系统统一输送到上位机进行数据的分析与处理。
本发明的用于康复医疗设备的多通道混合信号采集系统采用模拟信号(如8路电压信号)和数字信号(如1路弱信号)混合信号的同时采集的方式，采用多种信号的兼容实时采集，达到复杂信号的测量目的，突破康复医疗设备的传统单一类型信号采集的方式。为了能够实现模拟信号和数字信号的混合信号的同时采集，在框架设计上包括8个模拟传感器1、数字传感器2、电压采集电路3、前置放大电路4、中央处理器5、下载电路6、复用外接电路7、复位电路8、电源电路9、接口电路10、基准电压电路11。
在电性连接关系上，8个模拟传感器1和基准电压电路11分别经由电压采集电路3连接中央处理器5，数字传感器2经由前置放大电路4连接中央处理器5，下载电路6、复用外接电路7、接口电路10直接连接中央处理器5，电源电路9可选择性的对整个系统的各部件提供电源，复位电路8可选择性的对整个系统的各部件中的芯片进行复位。
8个模拟传感器1分别用来检测两只手的腕关节、肘关节、肩关节和手部的压力，从而实时输出8路电压信号给电压采集电路3。请结合图2，在传送给电压采集电路3时，8路电压信号IN0～IN7，做了一定的信号处理，增设了信号处理电路。信号处理电路具体为，在8路电压信号IN0～IN7上分别串联一个100Ω的小阻值的电阻，再分别同时并联一个1nF的小电容值的电容和一个电阻，才作为电压采集电路3的8路输入信号CH0～CH7。
8路电压信号IN0～IN7上串联的8个电阻分别为电阻R11、电阻R12、电阻R17、电阻R18、电阻R22、电阻R23、电阻R26、电阻R27，用来防止通电一瞬间的阶跃信号对系统产生干扰。由于本发明已经根据理论设计做出了实际电路板，因此，在布线以及电路板制作时，电阻、电容等各器件的编号有所改动，并不是同一电路采用连续性编号，但是这并不影响本发明的技术方案的实现。
8路输入信号CH0～CH7上分别同时并联的一个1nF的小电容值的电容和一个电阻，是用来减小高频信号的阻抗。8路输入信号CH0～CH7上并联的8个电容分别为：C18、C19、C20、C21、C27、C28、C34、C35；8路输入信号CH0～CH7上并联的8个电阻分别为：R13、R14、R19、R20、R24、R25、R28、R28。
数字传感器2用来检测患者心脏的心率，实时输出相应心电压力信号给中央处理器5。请结合图3，在传送给中央处理器5时，对这1路心电压力信号IN8做了一定的信号处理，即增设前置放大电路4。具体为，在心电压力信号IN8上串联前置放大电路4后才作为中央处理器5的输入信号ADC。前置放大电路4采用TI公司的高精度低噪声的运放芯片OPA2333，做两级放大处理，电路采用的是同向比例放大电路前级放大50倍后级放大4倍一共放大200。
在图3中，前置放大电路4对心电压力信号IN8做两级放大处理。前置放大电路4包括两个放大器：U7A、U7B；六个电阻：R30～R35。两个放大器U7A、U7B都采用型号OPA2333AID。放大器U7A的同相端经由电阻R30接收心电压力信号IN8，放大器U7A的反相端一方面经由电阻R31接地，另一方面经由电阻R32连接放大器U7A的输出端。放大器U7B的同相端经由电阻R34连接放大器U7A的输出端，放大器U7B的反相端一方面经由电阻R33接地，另一方面经由电阻R35连接放大器U7B的输出端，放大器U7B的输出端输出中央处理器5的输入信号ADC。
请结合图4，电压采集电路3收集8路输入信号CH0～CH7，转换成1路信号DOUT，并传送给中央处理器5的，电压采集电路3采用TI公司的芯片ADS1256，它采用的SPI通信协议，可以同时采集8路模拟信号精度高达24位满足采集需求。设计时为了保证采集的稳定性在芯片ADS1256电源处与地直接接个电容过滤电源里的纹波为芯片提供良好的电压，如，芯片ADS1256的引脚AVDD与地接并联的两个电容C17和C16；芯片ADS1256的引脚DVDD与地接并联的两个电容C23和C24，其中电容C16为电解电容。在ADS1256芯片的引脚AINCOM与地接电阻R16。
请结合图5，中央处理器5接收信号DOUT和经两级放大处理的心电压力信号IN8，并形成1路串行数据进行传输。中央处理器5采用48引脚的STM32F103C8T6芯片U5A，芯片U5A做中央处理器，其外围电路简单(如芯片U5B)，既可以满足系统的采集需求又可以降低系统的占用空间。
请结合图6，下载电路6采用JATG，JATG可以下载和仿真同时进行，既方便程序的烧录有方便系统的检测。
请参阅图7，复位电路8用于中央处理器5程序下载前需要复位对正在运行的程序终止。
请参阅图8，电源电路9采集系统中需要给STM32、ADS1256等芯片供电需要3.3V和5V的电压。使用ASM1117-5组成5V电压电路，ASM1117-3芯片搭成外围电路组成3.3V电路供电。同时把模拟区域的地和数字区域的地用一个0欧的电阻隔离开这样工作的时候不互相干扰同时又保参考地电势相等。
请参阅图9，复用外接电路7用于外接终端，多个终端能共享一条高速信道，从而达到节省信道资源的目的。
请参阅图10，接口电路10采用RS232串口电路，上位机与下位机需要进行串口通信来实现数据的传输，RS232系统在短距离通信上稳定高效，本系统使用RS232进行串口通信来实现数据的传输。
请参阅图11，多通道混合信号采集系统采集电压时需要给其提供一个基准的参考电压。基准电压的稳定与准确直接决定信号采集分析的准确与否，基准电压电路11采用超低噪声高精度的芯片ADR4525为ADS1256提供稳定的2.5V基准电压。
综上所述，本发明的多通道混合信号采集系统主要应用在医疗康复领域的康复医疗设备的精确信号采集，在医疗康复设备中需要同时对多种不同类型的信号进行采集，要考虑数据采集时的兼容性，针对这种市场需求设计本采集系统，多路信号混合输入，处理后统一输送到上位机处理，达到多种信号多路的同时实时采集，达到复杂信号的测量目的，实现多路信号的混合测量，也便于上位机进行实时显示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统，其特征在于：其包括：
8个模拟传感器(1)，分别用来检测两只手的腕关节、肘关节、肩关节和手部的压力，并实时输出相应的8路电压信号IN0～IN7；
数字传感器(2)，检测心脏的心率，并实时输出相应心电压力信号IN8；
电压采集电路(3)，收集8路电压信号IN0～IN7，并转换成1路输入信号DOUT；
前置放大电路(4)，对心电压力信号IN8做两级放大处理形成1路输入信号ADC；以及
中央处理器(5)，接收输入信号DOUT和输入信号ADC，并形成1路串行数据进行传输。
2.如权利要求1所述的用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统，其特征在于：所述多通道混合信号采集系统还包括信号处理电路，所述信号处理电路采用：在8路电压信号IN0～IN7上分别串联一个100Ω的小阻值的电阻，再分别同时并联一个1nF的小电容值的电容和一个电阻，才作为电压采集电路(3)的8路输入信号CH0～CH7。
3.如权利要求1所述的用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统，其特征在于：前置放大电路(4)包括两个放大器U7A、U7B和六个电阻R30～R35；放大器U7A的同相端经由电阻R30接收心电压力信号IN8，放大器U7A的反相端一方面经由电阻R31接地，另一方面经由电阻R32连接放大器U7A的输出端；放大器U7B的同相端经由电阻R34连接放大器U7A的输出端，放大器U7B的反相端一方面经由电阻R33接地，另一方面经由电阻R35连接放大器U7B的输出端，放大器U7B的输出端输出中央处理器(5)的输入信号ADC。
4.如权利要求3所述的用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统，其特征在于：放大器采用运放芯片OPA2333。
5.如权利要求1所述的用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统，其特征在于：电压采集电路(3)采用芯片ADS1256。
6.如权利要求5所述的用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统，其特征在于：芯片ADS1256的引脚AVDD与地接并联的两个电容C17和C16；芯片ADS1256的引脚DVDD与地接并联的两个电容C23和C24，其中电容C16为电解电容。
7.如权利要求1所述的用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统，其特征在于：所述多通道混合信号采集系统还包括与中央处理器(5)连接的下载电路(6)，实现中央处理器(5)的程序下载和仿真的同时进行。
8.如权利要求1所述的用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统，其特征在于：所述多通道混合信号采集系统还包括与中央处理器(5)连接的接口电路(10)，所述串行数据通过接口电路(10)实现传输。
9.如权利要求1所述的用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统，其特征在于：所述多通道混合信号采集系统还包括复位电路(8)，复位电路(8)用于中央处理器(5)程序下载前复位对正在运行的程序终止。
10.如权利要求1所述的用于医疗康复设备的多通道混合信号采集系统，其特征在于：所述多通道混合信号采集系统还包括电源电路(9)，电源电路(9)用于对所述多通道混合信号采集系统的各部件供电。
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