CN2540158Y

CN2540158Y - 生物信号采集处理仪

Info

Publication number: CN2540158Y
Application number: CN02220911U
Authority: CN
Inventors: 孙文陵; 沈岳良
Original assignee: Meiyi Science & Technology Co Ltd Nanjing
Current assignee: Meiyi Science & Technology Co Ltd Nanjing
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2002-05-31
Publication date: 2003-03-19
Anticipated expiration: 2012-05-31

Abstract

本实用新型生物信号采集处理仪涉及的是一种用于生理学、病理生理学和药理学实验的生物信号检测、记录和分析仪器。结构具有机箱，机箱有前面板、后面板，机箱内装有电子线路板，其特征在于电子线路包括通用串行总线USB接口电路、采集/控制电器、程控放大电路、程控刺激器电路，通用串行总线USB接口电路包括通用串行总线USB接口芯片、即插即用识别ROM芯片。采集/控制电路包括单片机、内含数据采集芯片，存储集成芯片、总线驱动芯片及地址译码集成芯片。程控放大电路包括运算放大器集成芯片，高通滤波器，低通滤波器，程控放大器，数据锁存器。程控刺激器电路包括单片机、数/模转换器集成芯片，脉冲整形集成芯片，高电压功率放大器。

Description

生物信号采集处理仪

技术领域

本实用新型生物信号采集处理仪涉及的是一种用于生理学、病理生理学和药理学实验的生物信号检测、记录和分析仪器。

背景技术

通常，生理学、病理生理学和药理学实验的生物信号检测、记录和分析需要采用示波器、生物信号前置放大器、刺激器、走纸记录仪等仪器来完成，不足之处是仪器体积比较大、数量多、操作麻烦、智能化程度低、分析数据烦琐、精度差，各种仪器操作比较复杂，检测时间长，效率低，而且数据还须手工计算或输入计算机来计算。

发明内容

本实用新型针对上述不足之处提供一种生物信号采集处理仪，采用多单片机通讯控制技术及优质集成电路开发的一种集生物信号的放大、采集、显示、处理、储存和分析的仪器。在与微机数据交换方式上，选用了目前最新的“通用串行总线”即USB(V1.1版)方式，速度快、数据吞吐量高，并能“即插即用”，与微机连接十分方便与简单。针对生物信号种类多、实验时又往往通道多的特点，仪器设计成通用总线方式，插入一块电路版卡即可增加一个通道，插入不同的电路版卡即可完成不同的功能。电路版卡计有生物电程控放大电路、刺激器电路、控制及A/D转换电路等多种。实现了实验仪器的微机化、数字化、智能化。

生物信号采集处理仪是采取以下方案实现的：生物信号采集处理仪具有机箱，机箱有前面板、后面板，前面板上装置有若干生物信号或传感器输入插座、刺激器输出插座、电源开关，后面板上装有经放大后的生物信号输出插座、通用串行总线(USB)插座，电源插座，机箱内装有电子线路板，板上有电子线路及电子线路元器件。

电子线路包括通用串行总线USB接口电路、采集/控制电器、程控放大电路、程控刺激器电路，通用串行总线USB接口电路包括通用串行总线USB接口芯片IC1、即插即用识别硬ROM芯片IC2。采集/控制电路包括单片机IC3、内含51单片机的数据采集芯片IC4，先进先出存储集成芯片IC5、总线驱动芯片IC6及地址译码集成芯片IC7、IC8。程控放大电路包括运算放大器集成芯片IC101、IC102、IC103，高通滤波器IC104、IC105，低通滤波器IC106、IC107，程控放大器IC108、IC109，数据锁存器IC110、IC111。程控刺激器电路包括单片机IC201、数/模转换器集成芯片IC202、IC203，脉冲整形集成芯片IC204～IC206，高电压功率放大器IC207。

在电子线路中通用串行总线USB接口插座CZ1接USB专用数据线，插座CZ1连至USB接口专用集成芯片IC1的USB数据引脚USBD+、USBD-，IC1的SCL、SDA脚接即插即用识别码ROM芯片IC2对应的SCL、SDA脚，IC1的数据线及三组I/O控制口PA、PB、PC接到排线插座CZ2，排线插座CZ2经扁平电缆排线接采集/控制电路的对应排线插座CZ3，CZ3的信号线中8位数据线与先进先出存储器集成芯片IC5的数据线连接，读信号线接IC5的读引脚，PA口8位线作单片机IC3的数据线，接IC3的PO口，PB口的一位作IC3的中断申请，接IC3的外部中断申请INTO，PB口的另一位接受数据采集芯片IC4的中断申请，接IC4的“有数据”中断通知线，单片机IC3的P2口8位作输出数据，接总线驱动芯片IC6，地址译码集成芯片IC7、IC8的输入端分时写入、分别作整机总线的数据及通道的片选信号线，IC3的串行口与数据采集芯片IC4的串行口直接连接；程控放大电路的运算放大器集成芯片IC101、IC102、IC103其差分输入与面板上的生物信号或传感器输入插座连接，其输出接高通滤波器IC104、IC105，高通滤波器IC104、IC105的输出接低通滤波器IC106、IC107，低通滤波器IC106、I以07的输出接程控放大器IC108、IC109，放大滤波后的模拟信号再送入整机总线；程控刺激器电路的单片机IC201的P2口接整机总线的数据线，中断申请INTO接整机总线的相应片选CSX，IC201的PO口接D/A数/模转换器IC202、IC203，IC201的写信号WR接数/模转换器IC202、IC203对应写控制端，数/模转换器与脉冲整形集成芯片IC204、IC205、IC206连接，脉冲整形集成芯片与功率放大电路IC207相连。

本实用新型生物信号采集处理仪是根据生理实验的特点，将传统仪器的优点与计算机的强大处理功能相结合而设计的，它是多CPU并行工作，集信号放大、数据采集、显示、存储、处理及输出的实验仪器。主要完成对各种生物电信号(如心电、肌电、脑电)与非电生物信号(如血压、张力、呼吸)的调理、放大，并进而对信号进行模/数(A/D)转换，使之进入计算机。通过计算机软件完成对系统各部分进行控制和对已经数字化了的生物信号进行显示、记录、存储、处理、数据共享及打印输出。由于生物信号采集处理仪的电子控制线路包括通用串行总线USB接口电路、采集/控制电器、程控放大电路、程控刺激器电路，加上控制软件，既可以满足电生理实验中对高频信号如神经放电记录的要求，也可以满足对低频信号如心电及含有直流成分经传感器转换的生物信号记录的要求。四通道可依实验要求任意选择、组合，并且都提供传感器桥路供电。每通道放大倍数都可独立程控，5～80000倍实时可调。为方便实验，生物信号采集处理仪集成了一个由单片CPU程控的刺激器，有多种刺激模式可选，刺激器参数可实时调整，刺激波形与结果可同时观察，清晰、直观，满足如：有效不应期测定，阈强度，肌肉强直收缩等实验。数据采集由单片机控制，以USB(通用串行总线)方式由PC机USB通用串行总线完整快速传递至PC机内存，仪器内所有单片机均有独立时钟，保证采集数据的间隔准确和不丢失，采样频率从20HZ～100KHZ(即采样间隔从50ms～10μs)，多档程控可调，数据分辩率为12位。

附图说明

以下将结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1是生物信号采集处理仪示意图。

图2是生物信号采集处理仪电子线路原理图。

具体实施方式

参照附图1、2，生物信号采集处理仪具有机箱1，机箱1有前面板2、后面板，前面板2上装置有若干生物信号或传感器输入插座、刺激器输出插座、电源开关，后面板上装有经放大后的生物信号输出插座、通用串行总线(USB)插座，电源插座，机箱内装有电子线路板，板上有电子线路及电子线路元器件。

电子线路包括串行总线USB接口电路、采集/控制电器、程控放大电路、程控刺激器电路，通用串行总线USB接口电路包括通用串行总线USB接口芯片IC1、即插即用识别硬ROM芯片IC2。采集/控制电路包括单片机IC3、内含51单片机的数据采集芯片IC4，先进先出存储集成芯片IC5、总线驱动芯片IC6及地址译码集成芯片IC7、IC8。程控放大电路包括运算放大器集成芯片IC101、IC102、IC103，高通滤波器IC104、IC105，低通滤波器IC106、IC107，程控放大器IC108、IC109，数据锁存器IC110、IC111。程控刺激器电路包括单片机IC201、数/模转换器集成芯片IC202、IC203，脉冲整形集成芯片IC204～IC206，高电压功率放大器IC207。

在电子线路中，通用串行总线USB接口插座CZ1接USB专用数据线，将外设微机与生物信号采集处理仪相连接，生物信号采集处理仪与微机的数据交换均由此线完成。插座CZ1连至USB接口专用集成芯片IC1的USB数据引脚USBD+、USBD-。IC1的SCL、SDA脚接IC2存储器对应的SCL、SDA脚。IC1的数据线(8位)及三组I/O口PA、PB、PC各8脚共32线接到排线插座CZ2。排线插座CZ2经扁平电缆排线接采集/控制电路的对应排线插座CZ3，CZ3的信号线中，8位数据线与先进先出存储器集成芯片IC5的数据线连接，读取数据。读信号线接IC5的读引脚。PA口8位线作单片机IC3的数据线，接IC3的PO口。PB口的一位作IC3的中断申请，接IC3的外部中断申请INTO。PB口的另一位接受数据采集芯片IC4的中断申请，接IC4的“请求读”中断通知线。单片机IC3的P2口8位作输出数据，接总线驱动芯片IC6、地址译码集成芯片IC7、IC8的输入端，分时写入，分别作整机总线的数据及通道的片选信号线。IC3的串行口与数据采集芯片IC4的串行口直接连接，发送控制命令。

整机总线上除上述的24根线外，另接有各种电源线、地线共7根，各通道模拟信号输出线8根。整机总线上共有9个一样的通道卡插座，可插需要的通道卡。

程控放大电路集中在一块电路板上，可插在整机总线的插座上。程控放大电路的运算放大器集成芯片IC101、IC102、IC103(三片低噪声运算放大器)组成三运放电路，其差分输入与面板上的生物信号或传感器输入插座连接，其输出接高通滤波器IC104、IC105，高通滤波器IC104、IC105的输出接低通滤波器IC106、IC107，低通滤波器IC106、IC107的输出接10档可调程控放大器IC108、IC109，放大、滤波后的模拟信号再送入整机总线；高通、低通、程控放大器的换档切换均由高质量的模拟开关DG508、DG509完成，模拟开关的控制端接数据锁存器。数据锁存器共使用11位，其输入接整机总线的数据线，写信号为整机总线的：片选取“及”写“信号组合而成。

程控刺激器电路集中在一块线路板上，可插在整机总线的插座上。程控刺激器电路的单片机IC201的P2口接整机总线的数据线，中断申请INTO接整机总线的相应片选CSX，IC201的PO口接D/A数/模转换器IC202、IC203，IC201的写信号WR接数/模D/A转换器IC202、IC203对应写控制端，D/A数/模转换器与脉冲整形集成芯片(运放)IC204连接，输出转换结果。经运放IC205、IC206脉冲整形、放大送入功率放大电路IC207。功率放大电路由高反压大功率管MJE340、MJ350构成，可输出正、负50V的脉冲。

通用串行总线(USB)接口芯片IC1采用AN2131集成芯片等，即插即用识别码ROM芯片IC2采用24LC01集成芯片等。

采集/控制电路中的单片机IC3采用89C51等、内含51单片机的数据采集芯片IC4采用AduC812等、先进先出存储器集成芯片IC5采用7205、7206等、总线驱动芯片IC6及地址译码集成芯片IC7、IC8采用3-8译码器74LS138等。

程控刺激器电路中的单片机IC201采用89C51等，数/模转换器集成芯片IC202、IC203采用DA0832等，脉冲整形集成芯片IC204-IC206采用运算放大器0907等，高电压功率放大器2C207采用分立元件大功率三极管MJE340、MJ350等。

工作原理：

仪器通电后，微机USB插口电平改变。微机系统发现新设备后，经IC1读取IC2的设备专有序列号，选择合适的驱动程序并自动安装，完成即插即用。微机需发命令、或下方数据要送往微机，均由USB线完成双向通讯。

微机向仪器发数据

微机经USB线向IC1发送数据，IC1收到USB数据后，经连接IC1的共32线的排线插座CZ2，经扁平电缆排线接采集/控制卡的对应排线插座CZ3。IC1的PA数据连至IC3的PO口，并由IC1发中断申请，在IC3中断服务中读取PA口的数据，作相应执行。

采集数据，由IC3的串口发送命令至IC4，IC4内嵌有51单电机，收到命令后，自动按命令中规定的参数完成数据采集工作，直到串口再次发送“结束”命令时停止采样。采集到的数据，由IC4中的单片机写入IC5(FIFO7206等)达到一定数量时，IC4向IC1发取数据中断申请信号，IC1的中断服务程序读取FIFO的数据并送入USB的数据缓存区，微机的USB专用设备驱动程序高速读取这些数据。此方式可保证数据采集长时间不间断。

向各通道发控制码

各通道程控增益码，高、低通滤波不同档之间地切换码均由IC3发送。IC3数据PO口分时写入数据锁存器IC6作整机总线的数据线，写入IC7、IC8译码器做整机总线中访问各通道的片选线CS0、CS1。对于已选中的通道，这些控制码可锁存在通道的数据锁存器中，控制模拟开关切换，完成所需的功能。

程控放大器

本仪器含同样的程控放大器4-8道，供应用时选择。IC101-IC109为主放大通道，其增益、高通滤波、低通滤波不同档的切换由2片锁存器(IC110、IC111)提供，由对应的高性能模拟开关(DG508、DG509)完成切换。放大后的模拟信号送入整机总线作A/D采样。

程控刺激器

由整机总线发来的数据经中断方式送入本部分电路中IC201单片机、代码中含刺激幅度、宽度、向幅、个数等20多个参数，此后，由单片机独立完成刺激。刺激脉冲的产生是由D/A实现数/模变化，产生符合要求的脉冲，再经放大，功率放大输出±50V刺激脉冲。

Claims

1、一种生物信号采集处理仪，具有机箱，机箱有前面板、后面板，机箱内装有电子线路板，电子线路板上有电子线路及电子线路元器件，其特征在于电子线路包括通用串行总线USB接口电路、采集/控制电器、程控放大电路、程控刺激器电路；通用串行总线USB接口电路包括通用串行总线USB接口芯片IC1、即插即用识别ROM芯片IC2；采集/控制电路包括单片机IC3、内含51单片机的数据采集芯片IC4，先进先出存储集成芯片IC5、总线驱动芯片IC6及地址译码集成芯片IC7、IC8；程控放大电路包括运算放大器集成芯片IC101、IC102、IC103，高通滤波器IC104、IC105，低通滤波器IC106、IC107，程控放大器IC108、IC109，数据锁存器IC110、IC111；程控刺激器电路包括单片机IC201、数/模转换器集成芯片IC202、IC203，脉冲整形集成芯片IC204～IC206，高电压功率放大器IC207；

在电子线路中通用串行总线USB接口插座CZ1接USB专用数据线，插座CZ1连至USB接口专用集成芯片IC1的USB数据引脚USBD+、USBD-，IC1的SCL、SDA脚接即插即用识别码ROM芯片IC2对应的SCL、SDA脚，IC1的数据线及三组I/O控制口PA、PB、PC接到排线插座CZ2，排线插座CZ2经扁平电缆排线接采集/控制电路的对应排线插座CZ3，CZ3的信号线中8位数据线与先进先出存储器集成芯片IC5的数据线连接，读信号线接IC5的读引脚，PA口8位线作单片机IC3的数据线，接IC3的PO口，PB口的一位作IC3的中断申请，接IC3的外部中断申请INTO，PB口的另一位接受数据采集芯片IC4的中断申请，接IC4的“请求读”中断通知线，单片机IC3的P2口8位作输出数据，接总线驱动芯片IC6，地址译码集成芯片IC7、IC8的输入端分时写入，分别作整机总线的数据及通道的片选信号线，IC3的串行口与数据采集芯片IC4的串行口直接连接；程控放大电路的运算放大器集成芯片IC101、IC102、IC103其差分输入与面板上的生物信号或传感器输入插座连接，其输出接高通滤波器IC104、IC105，高通滤波器IC104、IC105的输出接低通滤波器IC106、IC107，低通滤波器IC106、IC107的输出接程控放大器IC108、IC109，放大滤波后的模拟信号再送入整机总线；程控刺激器电路的单片机IC201的P2口接整机总线的数据线，中断申请INTO接整机总线的相应片选CSX，IC201的PO口接D/A数/模转换器IC202、IC203，IC201的写信号WR接数/模转换器IC202、IC203对应写控制端，数/模转换器与脉冲整形集成芯片IC204、IC205、IC206连接，脉冲整形集成芯片与功率放大电路IC207相连。

2、根据权利要求1所述的生物信号采集处理仪，其特征在于机箱前面板上装置有若干生物信号或传感器输入插座、刺激器输出插座、电源开关，后面板上装有经放大后的生物信号输出插座、通用串行总线USB。

3、根据权利要求1所述的生物信号采集处理仪，其特征在于整机总线上有若干个通道卡插座。