软件定义仪器

天津大学精密仪器与光电子工程学院天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室2008.9李刚有人告诉您：有一台仪器是真正万能的，可以测量心电、脑电、肌电、血压、血氧……他还告诉您：即使您不懂任何仪器的设计和原理，但您可以像打开电视选台遥控器一样把手中的仪器变为任何您想要的仪器……序言仪器既是人的感官的延伸也是一个“测量”工具何为“测量”？把被测量与标准量相比较的过程现代仪器都采用微处理器（微计算机）作为核心计算机只能处理数字信号（量），而被测信号都是模拟量。因此需要把模拟量转化为数字量－－采用模拟/数字转换器电子诊断仪器的一般结构传感器传感器接口电路DACP或CADC放大滤波键盘或其它人机对话输入显示模拟指示输出控制信号传输信号存储与记录电源与参考信号以心电图为例心电信号幅值为1mV，假定ADC（模数转换器）的分辨率为10位（210＝1024），输入范围为5V，因此需要5000倍的放大，可以分辨1V的信号。电子诊断仪器的基本原理以心电图为例换一个思路：如果我们采用24位的ADC，其输入范围仍然是5V，且不加任何放大器，信号的分辨率＝5V/224＝0.3V推理：只要ADC的精度足够高，可以不要“放大器”，依然可以测量到所需的信号。带来不可比拟的优点：电路简单！成本低！免调试！抗干扰能力强！功耗低！……电子诊断仪器的基本原理量变到质变！！只要ADC的精度足够高，可以测量任何信号！只需更换传感器。只要ADC的精度足够高，可以采用数字信号处理来替代模拟信号处理。只要有足够大的程序存储器，可以在仪器中驻留任何可能用到的程序－－用户只要选择所需的程序（仪器功能）即可百变金刚的电子诊断仪器用户选择所需的仪器功能－－软件定义仪器？！肯定有人会问：ADC有这么高的分辨率吗？现在ADI、TI、Silicon等公司有很多款高分辨率（24位）的型ADC？！也肯定有人会问：高分辨率的型ADC的速度够吗？－－这是下面我们要回答的问题软件定义仪器前面我们介绍了实现软件定义仪器的两个基本条件：（1）用ADC的分辨率换取放大器的放大倍数（2）大容量的存储器为回答ADC的速度问题，下面向大家汇报在“过采样”方面的研究进展过采样型ADC过采样有很多成熟的产品，价格便宜，速度较低N型ADC利用普通的中等分辨率、中、高速度ADC实现过采样：N型ADC中等分辨率ADC的速度从几百kHz～几百MHz而一般的生理信号多在数百Hz以下－－存在利用“过采样技术”提高分辨率（精度）的可能性！过采样：N型ADC我们把信号分成几种理想的情况：单频交流信号纯净直流信号直流＋合适幅值的白噪声过采样：N型ADC单频交流信号总量化噪声功率σ2=(LSBvalue)/12PSDnoise=[(LSBvalue)2/12](1/fs)=(LSBvalue)2/12fs功率频谱密度过采样：N型ADC单频交流信号N位ADC的信噪比为：SNRQ=6.02N+4.77+20log10(LF)（dB）输入的满量程单音正弦波时：SNRQ-max=6.02N+4.77－3=6.02N+1.77（dB）过采样：N型ADC单频交流信号通过过采样得到改进的信号与量化噪声比为（以dB为单位）SNRQ-gain=10log10(fs,new/fs,old)令M=fs,new/fs,old=4K当K＝1时，SNRQ-gain=6.02（dB）对比N位ADC的信噪比为：SNRQ=6.02N+1.77（dB）说明每过4倍的采样率，可以得到1位的分辨率（精度）。过采样：N型ADC单频交流信号考虑过采样得到的“精度增益”后N位ADC的分别率：SNRQ=6.02N+1.77+10log10M（dB）=6.02N+4.77＋6.02K（dB）过采样：N型ADC我们用12位，200kSPS的ADC采样心电信号，并利用过采样技术，相当于17位、200SPS的ADC采样。这时只需要放大器的增益为20倍。过采样：N型ADC直流信号＋白噪声对直流信号叠加合适幅值白噪声，4K次叠加的均方差为：k41i2k21ix＝k41i2k41ix因此，信噪比提高了SNR=20log10(2k)=6.02k与前面单频正弦波得到了类似的效果过采样：N型ADC“纯净”的直流信号信噪比的提高＝精度的提高＝有效分辨率的提高？有一个纯净的直流信号，假定它为相当于2.4LSB的电平，请问：“过采样”如何能够提高分别率？如何能够提高精度？这时：“过采样”如何能够提高分别率？！如何能够提高精度？！也即如何用ADC得到准确2.4LSB的“数字”？！过采样：N型ADC“纯净”的直流信号此时，我们可以先回答先前一个隐含的问题：有益的噪声是什么？为什么有益？在过采样中：有益的噪声是白噪声，一定幅值的它是实现过采样效益的条件。平时避之莫及却又回避无门的白噪声（热噪声）这时成了趋之若鹜的宝贝！因而，在过采样中“有人”加入“高频扰动”－－伪随机噪声。过采样：N型ADC成型信号且慢！ADC前端必定有什么电路？抗混叠滤波器和采样保持电路有“抗混叠滤波器和采样保持电路”，高频扰动如何能够加入到ADC中？过采样：N型ADC成型信号成型信号成为一个载波信号或运载工具：将ADC不能“分辩”的直流变成可以分辨的信号，然后再从ADC的变换结果中除去成型信号。过采样：N型ADC成型信号成型信号带来的“附加值”：降低ADC的微分非线性过采样：N型ADC已发表论文1.林凌，张丽君，李刚，软件定义仪器，电子产品世界，2007年11月，54-60.2.李刚，张丽君，林凌，一种新型数字锁相放大器的设计及其优化算法，天津大学学报，2008年4月，Vol.41（4）：429-432。（EI：082111272966）3.李刚，张丽君，林凌，何峰，结合过采样技术和锯齿波成形函数的微弱信号检测，电子学报，2008年4月，Vol.36（4）：756-759。（EI：082411312847）4.李刚，张丽君，林凌，何峰，基于过采样技术的生物电信号检测，电子学报，2008年7月，Vol.36（）：1465-1467。（EI检索源）限于时间关系，有兴趣的同志可以在下面讨论下面简要介绍我们实验室正在进行的其他研究其他研究简介－－经络机理的研究经络是一种具有特殊电特性细胞组成的信号传导组织（1）经络能够传到信息；（2）经络具有低阻抗特性；（3）经络至今没有发现任何解剖学上的结构由（1）和（2）证明：经络是客观存在的。由（3）推论：经络不是“管道”结构，不能像血管、淋巴那样通过“管道”传输物质从而达到传递信息的功能。其他研究简介－－经络机理的研究“电”是生物体内信号传输的重要方式，也是生命存在的基本特征。“电”信号传输又分为三种方式：一种是像神经细胞一样的信号在单个细胞内传输，另一种是像心肌细胞一样在同种细胞间传递，再一种是不同细胞间的信息传递。前两种符合“全或无”的定律，信号在“特定的渠道和方向上”传递。而后一种情况虽然也符合“全或无”的定律，但除非信号足够强而能够转变到前两种方式得以继续传播（如感受器接收到其他组织的信号后经神经组织向大脑）外，其他“电”信号均以电场形式在体内传播并快速衰减。而纯化学物质的信息传递有长距离作用主要靠经管传输、速度慢等特点。而经络传递信息的速度介于纯化学物质的信息传递与神经电的信息传递之间。其他研究简介－－经络机理的研究由（2）可以推论：“经络细胞”（我们姑且这样称呼经络上的细胞）一定具有与“非经络细胞”（我们姑且这样称呼经络周边的细胞）不同的“电特性”，目前解剖学上没有能够发现“经络细胞”与“非经络细胞”的区别在于对这两种细胞在细胞及亚细胞层次上缺乏充分的研究。就如同两个人的长相可能相似，但在某个方面的能力可能相差甚远一样，也可以用化学上的“同分异构”和“同构异分”的原理来说明：“同构”和“同分”是指“经络细胞”与“非经络细胞”的外形（目前所能够观察到的）和构成元素或基本成份（氢、氧、碳、氮、氨基酸、线粒体……）基本相同，“异分”和“异构”是指“经络细胞”与“非经络细胞”内的功能团等的构成和机理是有区别的，内部的微结构与功能，如细胞的兴奋性、离子通道可能不同，特别是相邻细胞之间离子通道的对应关系可能不同。其他研究简介－－经络机理的研究其他研究简介－－无创检测血液成份min1max()lnln()nOiiiIIIcdAII出射光强Imin动脉血液非脉动部分Imax脉动血液静脉血液其他组织入射光组织厚度时刻t出射光时刻tImax=IiIminIiIi（Thicknessofthetissues）（Time）（Transmittedlightintensity）（Time）其他研究简介－－无创检测血液成份消除了大部分个体差异与测量条件的影响需要高速度，丧失了光谱测量中利用长时间积分或多次叠加来提高精度的优势傅立叶变换提取信号－－降低采样速度、提高测量精度新型高速光谱仪其他研究简介－－脑起搏器（DBS）脑深部刺激术是目前临床上疗效最好的治疗帕金森病的方法，但世界上仅有美国美敦力公司生产脑深部刺激器（DBS，DeepBrainStimulator），单只价格高达8万元人民币，而且电池使用时间短，需频繁更换等缺点。国内很少患者能够用得起，我们研发两种具有完全自主知识产权DBS：可充电式和外置式DBS。可完全改善帕金森病患者的生活质量，大幅度降低使用成本并产生巨大的经济效益和社会效益。参考网页中医的科学探索：人为峰.htm学术著作与论文：=33023）单片机与嵌入式系统：科学研究与技术开发：《生物医学电子学》精品课程