2020生物医学仪器实验报告

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1、生物医学仪器科研训练 2020 生物医学仪器实 验报告 生物医学仪器科研训练 数据采集综合性训练数据采集综合性训练 目目 录录 一 科研训练目的以及内容 3 3 二 科研训练设备 3 3 三 采集系统构成 3 3 四 驱动程序说明 5 5 五 程序框架 6 6 六 代码关键算法说明 7 7 七 实验总结及讨论 8 8 八 专题资料总结 1111 参考文献参考文献 1717 指导教师 邹远文 材料科学与工程学院 生物医学工程专业 0843015044 王夕雨 生物医学仪器科研训练 一 一 科研训练目的及内容科研训练目的及内容 1 科研训练目的 科研训练目的 数据采集是仪器设计中的关键环节 涉及计

2、算机语言 微机原理 操 作系统 数字电路 嵌入式系统 数字信号处理等多门课程的内容 同时 要求具备计算机编程 设备器件组装等实际操作能力 通过此项训练 能 将多门课程的内容融合 加深学生对课程内容的理解 提升学生实际运用 课程知识的能力 同时为学生进入科研训练和毕业论文阶段 打下工程运 用的基础 2 科研训练内容 科研训练内容 1 USB 和 BIOPAC 的 AD DA 数字 IO 的编程 VC 和使用 2 练习采集数据存储与管理 3 练习示波器和信号发生器 二 科研训练设备二 科研训练设备 1 计算机 2 USB 数据采集卡和 BIOPAC 数据采集器 3 示波器和信号发生器 三 采集系统

3、的构成三 采集系统的构成 本次数据采集系统主要是 USB 数据采集与电脑和示波器数据采集 信号发 生器用 FG 275 FG 273A 生物医学仪器科研训练 图 1 数据采集卡 图 2 信号发生器 生物医学仪器科研训练 图 3 示波器 USB 数据采集系统的构成如下图 1 所示 1 1 图 4 USB 数据采集系统 示波器数据采集系统的构成如图 5 泰克 TDS3000C 系列示波器拥有高达 500MHz 的带宽 在紧凑的电池供电的设计中提供了经济的性能 这一流行的产 品系列现在配有 USB 主机端口和 PC 连接软件 同时提供了熟悉的操作和简单的 导航功能 您可以用更少的时间学习和重新学习怎

4、样使用示波器 用更多的时 间完成手头的任务 2 2 生物医学仪器科研训练 图 5 示波器数据采集系统 FG 275 FG 273A 函数信号发生器 3 3 FG 273A 275 函数信号发生器规格 方波特性 对称性 3 或更小 100Hz 时 上升及下降时间 最大 100ns 最大输出 正弦波特性 失真 1 或更小 100KHz 时 三角波特性 线 性 1 或更小 100KHz 时 电源要求 100 120 220 240V AC 50 60Hz 约 20VA 尺 寸 240 宽 64 高 190 长 mm 重 量 1 8kg 特点 扫描 函数 脉冲信号产生 频率范围 0 5Hz 5MHz

5、内置 5Hz 10MHz 频率计 多种输出波形 正弦波 三角形波 方波 TTL 电平方波和 CMOS 电平方 波 对数 线形扫描功能 可同时或独立设定起始频率和中断频率 频率计数器功能 可独立设置频率范围和门时间 VCG 外部频率控制终端 可通过外接电压 0 10V 控制输出频率 技术参数 型 号 FG 273A FG 275 输出波形 锯齿波 正弦波 方波 三角波 TTL 电平方波 脉冲波 CMOS 电平 方波 锯齿波 震荡频率范围 0 02Hz 2MHz 分 7 档 1 10 100 1K 10K 100K 1M 0 5Hz 5MHz 分 7 档 1 10 100 1K 10K 100K

6、1M 频率精度 最高 1 位 最高 4 位 数字显示输出 生物医学仪器科研训练 四 驱动程序说明四 驱动程序说明 1 批量取得 批量取得 AD 数据的驱动程序数据的驱动程序 4 4 当有了 hDevice 设备句柄后 便可使用 InitDeviceAD 函数初始化 AD 部件 关于采样通道 频率等的参数的设置是由这个函数 pADPara 参数结构体决定的 只需要对 pADPara 参数结构体的各个成员简单赋值即可实现所有硬件参数和设 备状态的初始化 然后这个函数启动 AD 设备 接着便可用 ReadDeviceAD 反复 读取 AD 数据以实现连续不间断采样 当需要关闭 AD 设备时 用 Re

7、leaseDeviceAD 便可实现 但设备对象 hDevice 依然存在 2 USB 设备管理驱动程序设备管理驱动程序 4 4 由于这里的 USB 设备驱动程序采用面向对象编程 所以使用设备的一切功 能 必须首先用 CreateDevice 函数创建一个设备对象句柄 hDevice 有了这个 句柄 就相当于拥有了对该设备的控制权 让后将此作为参数传递给其他函数 如 InitDeviceAD 可以使用 hDevice 句柄以初始化设备的 AD 部件并启动 AD 设备 ReadDeviceAD 函数可以用 hDevice 句柄实现 AD 数据的采样批量读取 SetDeviceD0 函数可以实现开

8、关量的输出等 最后可以通过 ReleaseDevice 将 hDevice 释放掉 3 USB 设备接口驱动程序列表设备接口驱动程序列表 4 4 函数名函数名函数功能函数功能备注备注 1 设备对象操作函数 CreateDevice创建 USB 总线的设备对象 GetDeviceCount取得设备总数 GetDeviceCurrentID取得设备当前 ID 号 ResetC复位 USB 设备 RealseDevice关闭设备 且释放 USB 设备对象 2 AD 采样操作函数 InitDeviceAD初始化 USB 设备 AD 部件 准备传 数 ReadDeviceAD连续批量读取 USB 设备上

9、的 AD 数 据 RealseDeviceAD释放 USB 设备对象中的 AD 部件 3 AD 辅助函数 硬件参数设置 保存 读取函数 LoadParaAD从 Windows 系统中读取硬件参数 生物医学仪器科研训练 SaveParaAD往 Windows 系统保存硬件参数 4 DA 操作函数 WriteDeviceAD输出 DA 数据 5 DIO 数字开关量函数 CreateDeviceDI开关输入函数 CreateDeviceDO开关输出函数 五 程序框架五 程序框架 USB 数据采集卡采集数据 A D 程序框架如图 6 所示 4 4 生物医学仪器科研训练 图 6 USB 数据采集框架 注

10、意 图中较粗的虚线表示对称关系 如红色虚线表示 CreateDevice 和 ReleaseDevece 两个函数的关系是 最初执行一次 CreateDevice 在结束时就须 执行 ReleaseDevice 绿色虚线表示 InitDeviceAD 与 ReleaseDeviceAD 成对称 方式出现 六 代码关键算法说明六 代码关键算法说明 AD 采样操作函数的说明 4 4 1 初始化设备对象 初始化设备对象 函数原型 Visual C pADPara PUSB2828 PARA AD Boolean StdCall External USB2828 Name InitDeviceAD L

11、abView 功能 它负责初始化设备对象中的 AD 部件 为设备操作就绪有关工作 2 批量读取 批量读取 USB 设备上的设备上的 AD 数据数据 函数原型 Visual C pADBuffer Word nReadSizeBytes LongWord nRetSizeBytes LongArray Boolean StdCall External USN2828 Name ReadDeviceAD 生物医学仪器科研训练 LabView 功能 读取 USB 设备 AD 部件上的批量数据 待读完制定长度的数据才 返回 它必须在 InitDeviceAD 和 ReleaseDeviceAD 之前调

12、用 释放设备对象中的 释放设备对象中的 AD 部件部件 函数原型 Visual C LabView 功能 释放设备对象中的 AD 部件所占有的系统资源 七 实验总结及讨论七 实验总结及讨论 一 一 实验总结 实验总结 1 用示波器采集信号发生器的数据 用示波器采集信号发生器的数据 1 示波器的面板如图 3 所示 导航简单 熟悉的操作 帮助缩短学习周期 专用前面板控制 您可以 迅速进入所需的功能 USB 主机端口 可以简便地存储和传送测量信息 使 用 OpenChoice 和 NI LabVIEW SignalExpress 泰克版软件 在 PC 上存档和 分析数据 重量轻 设计紧凑 可以简便地

13、在实验室之间携带 实验波形 图 1 锯齿波 生物医学仪器科研训练 图 2 正弦波 图 3 三角波 图 4 方波 生物医学仪器科研训练 2 用 用 USB 数据采集卡采集信号发生器的数据数据采集卡采集信号发生器的数据 1 USB2828 数据采集卡是阿尔泰公司的产品 5 5 USB2828 上集成了 12 位 16 路 采样率可达 100KHz 的 AD 模拟量输入功能 4 路 12 位 输出速率可达 100KHz 的 DA 模拟量输出功能 8 路 TTL 兼容的 DI 数字输入功能 8 路 TTL 兼容的 DO 数字输出功能 2 此款数据采集卡的接口为 USB 在 PC 机上需要首先安装驱动程

14、序 然 后编写数据采集程序 1 首先安装驱动程序 双击 USB2828 文件夹下的 App 子 文件夹中的 setup exe 即可完成驱动的安装 安装完成之后可以使用示例程序 查看数据采集情况 2 数据采集软件编写 厂家提供了 Visual C C Builder Visual Basic Delphi 以及 LabView CVI 等 API 接口函数 以 VC 为例 创建了工程文件之后只需要将 Usb2828 lib 和 Usb2828 h 两个文件 引入工程 就可以对其进行操作 3 运用 USB2828 数据采集卡可以方便的设置采集信号的采集频率 设置的 采集频率不同 产生的波形各不相

15、同 实验产生的各种波形以及所选用的采集 频率如下图所示 正弦波 锯齿波 三角波方波 生物医学仪器科研训练 3 结果讨论结果讨论 通过比对不同波形可知 在调整过程中 频率会对波形造成影响 不同的波 形对频率的要求也不同 在实际操作过程中也要考虑到仪器的老化和损坏问题 示波器接头接触不良也会影响波形的输出 八 专题资料总结八 专题资料总结 AD 的原理及目前产品 一 原理 7 7 AD 模数转换 将模拟信号变成数字信号 便于数字设备处理 DA 数模转换 将数字信号转换为模拟信号与外部世界接口 具体可以看看下面的资料 了解一下工作原理 1 AD 转换器的分类 下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特

16、点 积分型 逐次逼近型 并行比较型 串并行型 调制型 电容阵列逐次比较型及压频变换型 1 积分型 如 TLC7135 积分型 AD 工作原理是将输入电压转换成时间 脉冲宽度信号 或频率 脉冲 频率 然后由定时器 计数器获得数字值 其优点是用简单电路就能获得高分 辨率 但缺点是由于转换精度依赖于积分时间 因此转换速率极低 初期的单 片 AD 转换器大多采用积分型 现在逐次比较型已逐步成为主流 2 逐次比较型 如 TLC0831 逐次比较型 AD 由一个比较器和 DA 转换器通过逐次比较逻辑构成 从 MSB 开始 顺序地对每一位将输入电压与内置 DA 转换器输出进行比较 经 n 次比较而输出数字值 其电路规模属于中等 其优点是速度较高 功耗低 在 低分辩率 12 位 时价格很高 3 并行比较型 串并行比较型 如 TLC5510 并行比较型 AD 采用多个比较器 仅作一次比较而实行转换 又称 FLash 快速 型 由于转换速率极高 n 位的转换需要 2n 1 个比较器 因此电 路规模也极大 价格也高 只适用于视频 AD 转换器等速度特别高的领域 串并行比较型 AD 结构上介于并行型和逐次比较