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1、毕业设计（论文）题目名称：基于USB2.0接口心电数据采集系统设计年 级： 本科 专科学生学号：学生姓名： 指导教师： 学生单位：信息工程学院 技术职称：助教 讲师学生专业：生物医学工程 教师单位：信息工程学院基于USB2.0接口心电数据采集系统设计摘要：心脏病是威胁人类健康的主要疾病之一，心电图就是一项常规心脏疾病检查手段，因此研制高性能的心电图机对于心脏疾病的诊断和治疗具有十分重要的意义。在数据采集系统中，USB接口以其高传输速度,简便的连接、以及其高通用性和高稳定性,比PCI、ISA、EPP/ECP等其他接口更适合与计算机的通信。因此本文在研究了心电信号的拾取、放大、滤波、采集、传输等方
2、面的重要问题和关键技术的基础上，开发了基于USB接口的心电数据采集系统。实验表明，采用该系统可以方便快捷地接入到计算机,实现对心电数据的同步采集，与配套的软件系统相结合就能让医生更全面、详尽地了解心脏的状况，有利于对心脏疾病的诊断和监测。关键词：数据采集；USB2.0接口；即插即用The Design of ECG data Acquisition System based on USB 2.0 InterfaceAbstract：The heart disease is one of the most dangerous diseases which threaten the human h
3、ealth, so it is very significant to develop a high performance heart examining system which can diagnose the heart trouble and cure it in time. In the data acquisition system, the USB has the advantage of high speed, simple connection, high universality and stability, and the USB technique is more c
4、ompatibly used to correspond with PC than others bus, such as PCI、ISA、EPP /ECP, etc. In this thesis, some important issues and key techniques concerning acquisition and processing of ECG signals such as collecting, amplification, filter, A/D transforming and transmitting were investigate and a ECG d
5、ata acquisition system with USB interface was designed and fabricated as a prototype. Experiments with testers show that the system can be easily and quickly access to your computer, and that it synchronously samples the ECG signals which permits the doctor to comprehend the heart status more comple
6、tely and more thoroughly with other relevant supporting software system, and this is propitious to diagnose and inspect the heart diseases. Keywords: Data acquisition, USB2.0 interface, Plug and play目 录第1章 绪论11.1 课题的背景及意义11.2 课题发展历史及现状21.3 本设计的工作3第2章 心电图检测信号概述42.1 心电信号的特征42.2 心电信号的干扰源52.3 心电放大器的设计要求
7、52.4 心电双极肢体导联简介6第3章 心电数据采集系统的总体方案设计83.1 系统的整体方案设计83.2 系统的设计要求和方案选择83.2.1 系统设计要求83.2.2 信号转换模式的选择93.2.3 数据传输模式的选择93.2.4 光电隔离电路的选择103.2.5 系统芯片的选择113.3 系统开发方法和开发工具113.3.1 系统的开发方法113.3.2 系统的开发工具12第4章 USB2.0接口研究与开发134.1 USB接口概要134.2 USB的接口标准144.3 USB2.0接口硬件电路设计164.3.1 USB2.0接口芯片CY7C68013164.3.2 CY7C68013与
8、CPLD的连接原理174.3.3 具体模块电路设计与介绍184.4 USB接口软件开发224.4.1 CPLD控制A/D转换程序设计224.4.2 CPLD写FIFO程序设计234.4.3 USB接口固件程序设计244.4.4 USB设备驱动程序设计28第5章 心电信号采集系统开发295.1 心电信号采集电路295.1.1 差分放大及二级放大电路295.1.2 从放大器及带通滤波电路设计325.1.3 抗50Hz工频陷波电路设计335.2 A/D转换和光电隔离电路设计345.2.1 A/D转换电路345.2.2 光电隔离电路355.3 心电信号采集电路仿真355.4 系统调试及结果375.4.
9、1 调试环境及仪器375.4.2 调试中的问题及解决方法375.4.3 调试结果38结论39致谢40参考文献41第1章 绪论1.1 课题的背景及意义 本课题隶属于生物医学工程的范畴，近年来，生物医学工程的发展和成果越来越受到人们的重视，引起了许多专家和学者的关注，它是一门集医学、计算机技术、信息论和控制论为一体的新兴学科，在发展过程中也越来越显示出了其重要的理论意义和实用价值1。其中最为明显的就是它在医学临床的诊断和研究中所发挥的重要作用。作为一门新兴的边缘学科，它不仅推动了医学特别是临床医学的发展，同时也为控制论、信息论及相关的新技术开辟了新的应用领域，并推动和促进了该领域的发展，带来了明显
10、的学术价值和经济效益与社会效益。而人体作为一个复杂的信息系统，其心电、脑电、皮电和肌电等信号直接反映了人体本身各个器官和人心理的变化状况，例如，心电信号实时准确的提取与分析可以监测心脏状况，对病人病况的及时诊断、药物疗效的跟踪有着重要的意义。心脏病作为一种常见多发慢性疾病，由于其病情隐蔽、发展缓慢、发病危险性高的特点，对心脏病患者、特别是中老年患者的危害性极大，威胁着人类的健康和生活。心血管疾病已经越来越成为威胁人类健康的主要因素，及时发现和预防在心血管疾病的治疗中己成为越来越重要的手段。医学实践表明，对于心脏病的防治，最有效的手段就是预防和保健，在对心脏病患者进行经常性监测的基础上，尽早发现
11、异常病变情况，及早进行治疗，以控制病情的进一步发展。因此，对人体生理电信号的实时检测和分析系统的研究就更加迫切，更加具有现实意义。 近年来，随着医学的进步与科学技术的发展，人们对疾病的诊治与健康的保障提出了越来越高的要求，人体心电信号的检测与分析手段在经历了数十年的不断改进与发展之后，取得了长足的进步，在今天的医学领域中越来越显露出其必要性与重要性。心电信号的检测与分析不仅是心脏病自动诊断的重要手段，也是人体其他疾病手术治疗及健康状况检测的重要手段之一。设计一个良好的监护系统，自动监测出心脏的各种心律失常情况，并将心、电信息存贮起来，可以通过计算机的自动回放、打印等手段为医生的诊断提供判断依据
12、，同时也减少了医生的工作量。因此，本系统的研究对于医生和患者都具有十分重要的意义。1.2 课题发展历史及现状 目前，国外先进国家己经在这方面取得了实质性的进展，开始取得了心电监护临床应用的实际效果，并且还在以更高的速度进行实质性的改进和提高。美国和欧洲各国都己经设立了专项基金，来用于资助心电远程监护系统的发展，据2000年的资料统计，欧洲已有50多个国家建立了心电远程医疗系统。其中不乏一些大公司的介入。但是，我国在这方面的研究是从90年代中期才刚开始起步，上海华山、北京协和、北京医院、301医院、中日友好医院等大型医院都引进了国外的先进设备和技术，随着这些年的发展，我国在该领域已有了明显的进步
13、，包括卡迪欧公司、珠海中立电子公司、清华大学等公司和科研机构已经研制出自己的产品，在2003年的重庆高交会上，采用“数字同步式无限道A/D转换”新技术的“十二导人体心电图计算机监测多用途系统”也已经发布投入生产，这表明，我国在该领域的研究已逐步走向成熟，今后的发展会更加完善2。 从20世纪80年代始起，高新科技迅猛发展，国际医学界己进入电脑时代，心电信息高速公路己开通，例如遥测心电图、动态心电图，电话传输心电图、电传心电图、心脏联合监护技术，远程医疗会诊使各种心电信息得以迅速、完整、及时、大量地传送，尤其是多媒体和传真以及被人称为“第四媒体”的网络技术，正以席卷全球的磅礴气势走向我们，震撼着社
14、会的每一个领域，它以方便、快捷、大量信息跨越时空等突出特征，改变着人们的生活和工作，创造了震古烁今的事业，进一步开拓了更大的时域、频域和空间域，使心电信息学又进入一个新的飞跃发展阶段，己能远距离完整传送各种心电信息,显示各种血压、超声、放射、同位素、血流动力学信息等己成为现实。 远程医疗技术是最近10余年，尤其是最近8、9年才发展起来的，在我国却是最近8、9年的事，由于现代通讯技术，电脑技术和医学数字化技术的发展，使远程医疗服务于大众成为可能，网络医院应运而生。以我国中国国家卫生信息网络为例，又名“金卫医疗网络工程”主要采用卫星通讯网络 (VSAT)和国家公用数据通讯网(CHINADDA )渠
15、道，目前己联通省市大城市医院，不久将全部开通、启动“金卫医疗网络”通向任何一家县级医院。 值此21世纪初，我们正步入高新技术飞跃发展的时代，这些理论、新概念、新技术是心电信息学深入发展的原动力。电子仪器发展趋势是高精度、高保真、快速实时显示，检测技术向微观、微创、无创、快速、实时、动态性、整和性、可视化方向发展。可大大加快和提高心电信息高速公路速度，使其更加先进、充实、完善、实用，更好提高心血管病的诊断与治疗质量，将心电信息学数据、曲线、图像高保真、快速输送到已开通的心电信息高速路，并正在逐步推广到各级医院。 21世纪将成为心电信息学高速发展的新纪元，完全可以想象得出，21世纪的医生己不再是听诊器一挂走遍天下
