基于Labview的壓力控制脈搏采集系統

曾博才

（四川大學 四川 成都 610064）

傳統中醫就像山川一樣引人入勝，而脈診更是其中的奇峰，令人想一觀“廬山真面目”。脈搏波反映了人的生理病理信息，它的參數提取也是現在研究者最為關注的事情，這也就意味著越能夠發現更多的參數也就有利于攻克這一醫學堡壘，參數重要能夠提取出精確的信息也很重要，能夠在不同的壓力下提取信息是首先應該解決的問題[1]。以往控制電路習慣用單片機、ARM，現在脈搏提取信號及壓力控制都在Labview中實現，外面有些簡單的電路，主要是開關電路和壓強測量電路這樣即可以在Labview中對提取的脈搏信號進行分析處理又可以進行對壓力大小的控制[2]，實現自動化。作為虛擬儀器中最具代表性的圖像化編程開發平臺Labview可以把繁瑣、復雜、費時的語言編程簡單化為用菜單和圖表提示的方式選擇功能[1]，然后利用線條把這些功能連接起來的圖像化編程。

1 系統構成

為了采集到不同壓力下的脈搏波，便于對以后提取更多有用的信號。通過:Labview的產生的數字電壓通過USB-6008的電壓輸出接到氣泵驅動電路的輸入電壓，當為高電平時此時氣泵工作，開始加壓，于此同時把壓力測量電路的信號通過USB-6008采集到Labview中[3]，當壓力達到浮、中、沉的要求時Labview產生的數字電壓輸出低電平，此時氣泵關閉，這時Labview可以采集到不同壓力下的脈搏波信號，它的具體實現見圖1。

圖1 系統構成圖Fig.1 System configuration

2 硬件電路

2.1 氣泵控制電路

氣泵驅動電路也就是一個開關電路，由USB-6008的輸出電壓接入它的輸入端，通過控制電壓的高低電平達到控制氣泵工作狀態的要求。該電路要考慮氣泵的功率及工作時電流所應達到的要求，所以器件的選取很重要。由于采用的氣泵的工作電壓為2～8 V，它的阻值為20 Ω，所以該氣泵的驅動電流為100～400 mA。采用的三極管S8050的耗散功率0.625 W，集電極電流500 mA，放大倍數為30～60。USB-6008的輸出電壓為5 V。為了滿足氣泵工作的工作要求，三極管基極連入的電阻為800 Ω。氣泵驅動電路見圖2，其中電壓跟隨器的目的是為了防止后面電路對USB-6008的輸出電壓產生干擾。

圖2 氣泵驅動電路Fig.2 Pump drive circuit

2.2 壓力測量電路

傳感器芯片選用臺灣APM（亞太優勢）公司生產的BP300T。BP300T是一款常用于電子血壓計的傳感器。它具有結構簡單、穩定性好、可靠性高、通用性強等優點，它的壓力范圍：300 mmHg 5.8PSIG/40 kpa，電壓變化范圍：100±30 mV，最大極限：不得超出額定壓力的3X，額定電流：1.5 mA，最大電流：3.0 mA。由于壓力傳感器出來的信號為差分信號，也就是它氣泵往探頭上面充氣與大氣壓的差額，這種差值是和往手臂上所加的壓力大小成正比的，由于它的電壓變化范圍為100±30 mV，這很容易收到干擾，所以本文用AD620對壓強差信號進行放大，AD620內部由3個運放構成，為高度對稱的差動結構，輸入阻抗非常大，共模抑制比CMRR很高，有利于抑制共模干擾。它的電源范圍：VCC=VEE=±2.3～±18 V，AD620的增益計算公式：

其中RG就是圖3的R1，這個放大器可以很方便地計算出它的增益。

圖3 壓力測量電路Fig.3 Pressure measurement circuit

3 Labview軟件實現

3.1 Labview電壓輸出和壓力控制

Labview虛擬化編程圖像化編程開發平臺是把一些功能化的模塊用線連接起來的圖像化編程，該軟件系統的設計流程圖見圖4。程序的編寫關鍵是要運用這些功能模塊，進行設定、連接，實現圖形化編程[4]。

圖4 軟件系統流程圖Fig.4 Software system flow chart

文中采用的NI USB-6008可提供8個模擬輸入 （AI）通道、2 個模擬輸出（AO）通道、12 個數字輸入/輸出（DIO）通道以及一個帶全速USB接口的32位計數器。它的輸出范圍為0～5 V。labview電壓輸出和壓力控制程序需要用到的主要模塊有NI-DAQmx寫入函數、NI-DAQmx創建虛擬通道函數、NI-DAQmx清除任務函數、NI-DAQmx定時函數、NI-DAQmx啟動任務函數、NI-DAQmx讀取函數。

NI-DAQmx寫入函數（DAQmx Write）將數據寫入指定的生成任務中。這個函數允許選擇生成類型（模擬或數字），虛擬通道數、采集數和數據類型。

NI-DAQmx創建虛擬通道函數 （DAQmx Create Virtual Channel）用于創建一個虛擬通道并且將它添加成一個任務[6]。它也可以用來創建多個虛擬通道并將它們都添加至一個任務。該函數可指定虛擬通道使用模擬輸入、模擬輸出、數字輸入和計數器操作這4種物理通道。根據USB-6008的實際特點，將輸出最小值設置為0 V，最大值為5 V，將輸入最小值設置為-10 V，最大值為10 V，輸入終端方式為參考單端RSE。

NI-DAQmx清除任務函數（DAQmx Clear Task），用來清除特定的任務。如果任務現在正在運行，那么這個函數首先中止任務然后釋放掉它所有的資源。一旦一個任務被清除，那么它就不能被使用，除非重新創建它。

NI-DAQmx定時函數（DAQmx Timing），用來配置定時以用于硬件定時的數據采集操作。這包括指定操作如采樣模式（連續或有限）、為有限的操作選擇用于采集或生成的采樣率，以及在需要時創建一個緩沖區。本文中只需對采樣模式和采樣率進行設置。

NI-DAQmx啟動任務函數（DAQmx Start Task），顯式地將一個任務轉換到運行狀態。在運行狀態，這個任務完成特定的采集或生成。

NI-DAQmx讀取函數（DAQmx Read），用于讀取采集進來的數據。該函數的配置需根據采集的類型（模擬輸入、數字輸入或計數器輸入）、虛擬通道數、采樣數和數據類型。可配置為單點采集（主要用于逐點操作）或者多點采集[5]。本文使用多點采集，且將采樣數指定為-1，這將使其在執行的時候讀取所有現在保存在緩沖中可得的采樣，再使用波形圖表（Waveform Chart）就可以將采集進來的信號連續實時顯示出來，類似示波器。

由于從壓力測量電路采集后的數據和實際的壓差有一定的誤差，所以必須進行校準。連接傳感器的管子上接一個三通接口，一邊接傳感器，一邊接壓差測量表，一邊接氣泵。這樣當氣泵往探頭上面的氣囊充氣加壓時，壓差測量表和采集到Labview中的數據進行比較，找到它們之間的關系，經過多次實驗，發現實際壓差是采集到Labview的數據的4.17倍。從而把采集到的數據乘以4.17，使其和實際壓差相對應。本文設計一個壓強選取數據框，當開關開啟是它的數值就會變成控制電壓輸出的閾值，當小于該值時輸出高電位（5 V），氣泵工作，當達到該值時輸出底電位（0 V），這樣你只需在數據框中輸入數據，就可以采集到該壓差下的脈搏波，實現壓力可控制測量。程序的具體實現如圖5所示。

圖5 Labview輸出電壓和壓力控制Fig.5 Labview output voltage and pressure control

3.2 Labview壓力控制脈搏波采集實測

通過該系統，可以實現在不同壓力下的脈搏波[7]的測量。圖6～圖9是一個25歲的男子在不同壓強差下的脈搏波圖像，該換潰瘍病多年，經常胃部隱痛，泛酸暖氣，飲食少進，體形消瘦，這是病邪在體表的病理現象。當壓強差22 kPa時，就是中醫中的浮取，壓強差為32 kPa和40 kPa時為中醫中的中取，壓強差為50 kPa時為沉取。這4幅圖反映壓力從大到小采集到的脈搏波信號，浮取時脈搏波的幅度較大，中取時幅度次之，當沉取時幅度較小，這說明脈圖特征為脈位淺表，輕按即得，重按反小的特點。這符合中醫常見的28類脈搏的浮脈。浮脈是指脈的搏動部位淺表的脈象，取脈時請按即得，重按時反而不顯的特征。這種采集到脈搏波所反映的狀況和本人的實際情況比較相近，本系統可以實現壓力控制的脈搏波采集。

圖6 壓強差為22 kPa時采集的脈搏波Fig.6 Pressure difference between the pulse wave acquisition for 22 kPa

圖7 壓強差為32 kPa時采集的脈搏波Fig.7 Pressure difference between the pulse wave acquisition for 32 kPa

圖8 壓強差為40 kPa采集的脈搏波Fig.8 Pressuredifferencebetweenthethepulsewaveacquisitionfor40kPa

圖9 壓強差為50 kPa采集的脈搏波Fig.9 Pressure difference between the pulse wave acquisition for 50 kPa

4 結束語

本文在自行開發的脈象儀硬件系統基礎上，采用虛擬儀器[8]技術，在Labview中配合硬件電路實現壓力控制脈搏采集系統。詳細介紹了它的硬件電路和Labview軟件控制的具體實現，并通過實例檢驗它的可靠性。通過實例采集不同壓力下的脈搏波形，實驗表明該系統可以實現壓力的控制，這樣可以讓脈診的指力定量化，這對脈診的進一步研究做出了很大的成就，這樣為以后進行脈搏波采集，采集更多的有用信息，便如對脈搏波進行更一步的研究。

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