基于labview的肌电信号的采集分析和电刺激控制

-1-课程设计说明书题目：基于labview的肌电信号的采集分析和电刺激控制学院（系）：年级专业：学号：学生姓名：指导教师：教师职称：-2-课程设计（论文）任务书院（系）基层教学单位：学号学生姓名专业（班级）设计题目基于labview的肌电信号的采集分析和电刺激控制设计技术参数肌电信号采集与处理：数据转换，滤波及数据处理，数据存储电刺激波形的控制与下传:参数下传通信,波形预览和下载,时间控制声报警系统时间,波形回放和打印设计要求熟悉肌电信号采集与分析电路，并利用labvIEW软件实现肌电信号的放大、滤波及数据处理波形控制等功能；并进行仿真与优化。工作量熟悉肌电信号调理电路；labvIEW功能模块设计与仿真；完成课程设计报告一份工作计划1天方案调研与系统总体设计；2～3天功能模块设计与仿真；4天整体模块调试；5天系统总结完成报告。参考资料1．《LabVIEW虚拟仪器程序设计及应用》吴成东,孙秋野,盛科人民邮电出版社2.《精通LabVIEW8.0》王磊,陶梅，机械工业出版社指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。-3-目录摘要……………………………………………………………………………11概述…………………………………………………………………………21.1labvIEW简介…………………………………………………………21.2总体设计………………………………………………………………32模块介绍……………………………………………………………………62.1肌电信号采集与处理…………………………………………………62.1.1数据转换模块……………………………………………………62.1.2滤波及数据处理模块……………………………………………72.1.3数据存储模块……………………………………………………92.2电刺激波形的控制与下传……………………………………………102.2.1参数下传通信模块………………………………………………102.2.2波形预览和下载模块……………………………………………112.2.3时间控制声报警模块……………………………………………132.3其他功能模块…………………………………………………………142.3.1系统时间模块……………………………………………………142.3.2波形回放和打印模块……………………………………………14总结……………………………………………………………………………16参考文献………………………………………………………………………17-4-摘要本设计是基于labview的肌电信号的采集分析和电刺激控制，通过前期的构想与参考和后期的大量设计最后确定该系统主要包括肌电信号的采集和电刺激控制两部分。肌电信号的采集部分包括放大倍数控制，数据转换，滤波及数据处理，数据存储几部分，主要为了完成发送控制命令，接收、处理和显示肌电信号等功能。在此部分上位机向下位机发送采集命令后，开始接收采集数据，并调节放大倍数下传给单片机，使信号按比例放大。采集的数据经过数据转换、数字滤波和数据处理后显示其信号。电刺激控制部分包括参数控制，波形预览下载，时间控制报警，电刺激显示及调节等几部分，主要为了实现电刺激波形下传，对参数控制和时间报警控制等功能。该部分主要完成电刺激波形编制和下传，与单片机通信完成对处方波形，频率，幅度参数的控制以及治疗时间控制声光报警。除以上两部分外还包括系统时间和波形回放和打印两个模块。系统时间模块的功能是在系统前面板上实时显示日期和时间，波形回放模块是通过使用VI读出设定路径下已存储的数据文件，将其波形直接显示。打印模块的功能是对回放波形当前显示波形的打印输出。关键词：labVIEW，肌电信号，电刺激-5-1.概述1.1labVIEW简介所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，具有虚拟面板，其功能由用户设计和定义，通过测试软件实现的一种计算机仪器系统。利用计算机，配上相应的硬件（如数据采集卡、信号调理电路等）和专用软件一起构成了既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。VI主要有以下几个特点：（1）硬件尽可能通用化，各种仪器的差异只是软件；（2）充分利用计算机功能，具有强大的数据处理能力；（3）用户可以根据自己的需要来定义和设计各种仪器。虚拟仪器研究涉及的基础理论主要是计算机数据采集和数字信号处理。VI利用强大的图形环境，建立友好的虚拟仪器面板即软面板，操作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言来控制仪器运行，从而实现被测量的采集、分析、显示及存储等功能。虚拟仪器应用程序的开发环境主要有两种：一种是基于传统的文本语言的软件开发环境，常用的有LabWindows/CVI、VisualBASIC、VisualC++等；另一种是基于图形化语言(GraphicsLanguage，G语言)的软件开发环境，常用的有LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)和HPVEE等。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程工具。由于LabVIEW提供了大量常用于自动化测试测量领域的图形控件，这使得用户可以在数分钟之内完成一套完整的从仪器连接、数据采集到分析、显示和存储的自动化测试测量系统。选用LabVIEW开发测试和测量应用程序的另一大决定因素是其开发速度。一般来说，它比使用其它编程语言快4～10倍。并且LabVIEW易用易学，具-6-有以下几个主要的优势（1）提供了丰富的图形控件，采用图形化的编程方法；（2）采用数据流模型，实现了自动的多线程，从而充分利用处理器的处理能力；（3）提供了大量的驱动与专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松连接；（4）内建了600多个分析函数，用于数据分析和信号处理；（5）通过DLL、ActiveX、.NET或MATLAB脚本节点等技术，可以轻松实现LabVIEW与其它编程语言的混合编程；（6）提供了丰富的附加模块，用于扩展LabVIEW在不同领域中的应用，如实时模块、PDA模块、FPGA模块等1.2总体设计本系统的软件部分旨在完成对肌电信号的采集、处理、分析等。因此，系统具备以下几个功能（1）把采集到的肌电数据进行放大和转换以便于对信号进行处理（2）实时采集肌电信号并进行滤波、保存等处理；（3）可随时调出保存的肌电数据进行分析研究。根据系统的功能要求，本次设计采用模块化设计，这样便于调试和管理，也易于调用。总体自上而下分为系统时钟模块、信号采集模块、电刺激控制模块、波形回放模块和波形打印模块。而信号采集模块由放大倍数调节模块、数据转换模块、滤波及数据处理模块和存储模块组成。电刺激控制模块由参数控制模块、波形预览下载模块、时间控制报警模块和电刺激波形显示调节模块。设计模块层次图如图1所示。-7-图1模块层次图计算机接收到数据后，首先进行原始数据的预处理，把数据进行转化和数字滤波处理，经过处理的数据由LabVIEW的实时趋势图控件显示出信号曲线。此外，还要对信号要进行进一步的分析处理，从而得到更便于用户接受的反馈信号。用户还可将信号数据存储、回放和打印。在电刺激控制部分，可把预先编制好的治疗处方波形下载到波形存储器中，并通过串口把处方选择、频率、幅值参数传给单片机，然后由单片机完成参数控制的工作。在治疗上，前面板有时间报警控制，等治疗时间到有声光报警功能。前面板设计如图2所示。-8--9-2.模块介绍2.1肌电信号采集与处理上位机向下位机发送采集命令后，开始接收采集数据，并调节放大倍数下传给单片机，使信号按比例放大。采集的数据经过数据转换、数字滤波和数据处理后显示其信号。该部分的信号主要由采集模块完成，采集模块由放大倍数调节模块、数据转换模块、滤波及数据处理模块和存储模块组成。这里主要介绍数据转换模块、滤波及数据处理模块和存储模块。2.1.1数据转换模块由上周的硬件设计可知：硬件系统选用的AD转换芯片是12位的，而51单片机的数据总线宽度为8位，所以我们必须用两个8位的数据单元存储一个12位的数据，才能保证不浪费12位的分辫率，这样计算机接收到的数据，其实是两个数据表示一个采样点。LabVIEW提供8位、16位、32位的二进制数，要正确显示和分析信号，就必须将相应的两个数据转化成16位或32位的数据，本系统选用了16位的数据，转换后为D(i)=D(j)×16+D(j+1)D(i)为转换后16为数据，D(j)为上传的高8为数据，D(j+1)为上传的低4位数据。来自串口的数据是字符串类型的，因此转换之前必须先进行字符串数据到数值型数据的转换。根据AD输入电压．-10-+10V，转换后数据0-4095的正比例线性关系得出关系式：A(i)=(（D(i)－2n-1）/2n-1)×Vm=(（D(i)－2048)/2048)×10A(i)为输入电压，D(i)为转换的数字量，Vm为输入最大幅度。采样数据数据通过以上两式转化成了相应的电压值，电压值经显示图表显示就能较好的恢复成原始信号，让用户能够方便真实的看到原始信号的各种特征。数据转换程序框图如图3所示。-10-图3数据转换程序框图2.1.2滤波及数据处理模块上位机接收到数据后还要进行结果处理，为了进一步消除干扰，在上位机进行数字滤波处理。由于采集的肌电信号频率分布在10-1KHz的范围，所以肌电信号采集到PC机后经过10-1KHz的带通滤波和50Hz陷波器处理。运动单元是肌肉活动的最小单位，也是肌电信号产生的最直接因素，当人的肌肉紧张程度不同时，参与活动的运动单元数量也不相同，相应的肌电信号的幅度和信号频率范围也不一样。在肌电信号的时域分析中，将肌电信号看作是时间的函数，可计算信号的均值、幅度直方图等统计指标来反映信号振幅在时间域上的变化。常用指标有电活动水平、积分肌电值和均方根值。由于肌电信号振幅和肌张力呈一定力一电对应关系，故时域指标可实时反映肌电活动水平。经过滤波和积分肌电值的数据处理程序框图如图4所示。通过仿真实验得到的采集肌电信号和积分肌电值的波形如图5所示。通过积分肌电值更加直观的把肌肉紧张程度反馈给患者，当肌肉紧缩时，幅度变大，频率变高；当肌肉收缩时，幅度变小，频率变低。患者可根据显示的肌电信号和积分肌电值来进行康复训练，或者可以和电刺激相结合，电刺激器由计算机控制，采集患者的-11-肌电信号，然后按照预先确定的刺激参数控制电刺激器对患者的肌肉或其支配神经进行刺激，以产生肌肉收缩，带动关节按一定规律运动，起到康复训练的作用。图4滤波与数据处理程序框图图5采集的肌电信号与积分肌电值-12-2.1.3数据存储模块数据存储模块是程序中重要的模块之一，它主要实现对采集的数据存储功能，以便于实现数据的重复使用、显示和打印，为人工处理提供方便。数据存储有文件存储和数据库存储等方式，本系统数据的存储采用文件存储。LabVIEW采集的数据可通过“写入电子表格文件”VI直接存为文本文件、电子表格文件或者是工程计算语言Matlab所支持的．m文件，用户可以通过记事本、Excel,Matlab或LabVIEW读出这些文件。其存储模块的程序框图如图6所示。图6存储模块的程序框图-13-2.2电刺激波形的控制与下传该部分主要完成电刺激波形编制和下传，与单片机通信完成对处方波形，频率，幅度参数的控制以及治疗时间控制声光报警。整个电刺激程序框图主要包括：参数下传通信模块、波形预览和下载模块、时问控制报警模块和电刺激波形显示调节模块。这里对主要模块进行介绍。2.2.1参数下传通信模块通过VISAConfigureSerialPort(串口初始化子V1)，VISARead(读串口子VI)，VISAWrite(写串口子vi)，VISABytesatSerialPort(检测串口输入缓冲中字节数子VI)，VISAClose(关闭串口子VI)等库函数完成和下位机通信，处理处方选择，幅度，频率参数调节的下传，程序框图如图7所示。图7参数下传与通信程序框图此系统在一定程度上实现处方化，允