基于单片机和自相关分析的胎心监测仪的研究与实现

基于单片机和自相关分析的胎心监测仪的研究与实现 北京工业大学 硕士学位论文 基于单片机和自相关分析的胎心监测仪的研究与实现 姓名:朱韶红 申请学位级别:硕士 专业:计算机应用技术 指导教师:肖创柏 20070501摘要 摘要 胎儿心率是衡量胎儿健康状况的一项重要信息。正常胎儿的心率应该在每 分钟~拍范围。当胎儿的心率过高或过低,表示胎儿可能有缺血或缺氧 的情况,严重的胎儿缺血、缺氧会导致出生缺陷,它会造成胎儿的脑损伤甚至 胎儿死亡。因此应密切关注胎儿心率的变化情况。监测胎儿心率是保障胎儿 正 常发育,实现优生优育的一个重要手段。目前许多厂家生产的超声多普勒胎 心 监测仪都是采用放大、整形、计数的方法将超声多普勒探头所采集到胎心信 号 进行处理,或是在放大、整形的基础上再进行数字滤波,但是这些方法都存在 从含有噪声的信号中提取信息的能力不够强的问题,因而导致测量的精度不理 想。 根据相关检测理论,确定性信号在不同时刻的取值一般具有较强的相关性: 而对于干扰噪声,其随机性较强,不同时刻取值的相关性较差,因此利用自相 关技术可以将胎儿心跳信号和各种干扰信号区分开来。介绍了以单片机 为核心部件,以自相关算法处理数据为技术关键的胎心监测仪的实现。该 方案由两片单片机分别担任取样和自相关计算的任务,很好地解决了低档单片 机运行速度不够的问题,使用两片单片机完成通常需要专用数字信号处理芯片 才能完成的取样及计算工作,使成本大大降低,这也是本文所述方案的一个重 要特点。 关键词胎心监测仪; 自相关; 单片机 ..【 , . , , . . .., , . ;, , . . . . , ?. , . ; ;? .?.独创性声明 本人声明所呈:的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所,,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含 其他人已经发表或写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教 育机构的学位或证二而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任 何贡献均己在论文作了明确的说明并表示了谢意。 签名:魑基垒 日期:兰立: 关于论文使用授权的说明 本人完全了解京工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有 权保留送交论文的印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部 或部分内容,可以手用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文解密后应遵守此规定 导师签名 签名:塞童酆 雠期:第章绪论 第章绪论 .研究背景与实际意义 胎心率是指胎儿心脏每分钟跳动的次数。胎心率是评判胎儿状况的重要信 息,正常胎儿的心跳速率为每分钟次~次。当胎儿的心跳速率低于每分钟 次或大于每分钟次,就属于心率异常。出现胎儿心率异常的原因大多数是 由于胎儿缺血、缺氧造成的。严重的胎儿缺血、缺氧会导致出生缺陷【。出生缺 陷目前已成为影响我国人口质量的一个严重问题,它会造成胎儿的脑损伤甚至胎 儿死亡。也就是说有出生缺陷的胎儿即使存活下来也大都是终身残疾,这对于每 一个家庭来说都将是一个致命的打击,也会给社会带来巨大的负担。据了解,我 国是出生缺陷的高发国之一,平均每半分钟就会有一个出生缺陷儿降生。每年大 约有万~万出生缺陷儿降生。新生儿死亡中%~%源于出生缺陷。因 此要实现优生优育,提高我国的人口质量,使生育这一国策能够得到贯彻执 行,就必须加强胎儿监护。目前国际上最通用的胎儿监护的方法就是对胎儿心率 进行监测,即密切关注胎儿心率的变化情况”。 传统的检测胎儿心率的方法大多是使用听筒或听诊器,由有经验的医生利 用听筒或昕诊器计数秒钟的胎儿心率。这种方式不仅听诊声音低,而且医务 人 员还需要弯下腰,在距离孕妇腹部较近的地方才能听清,使用极为不便,导致医 生的工作效率低下,测量数据不准确。但目前在我国的一些县、乡镇医院仍然采 用这样一种传统方式。随着现代电子技术的不断发展,利用超声多普勒原理进行 胎心检查已经普及。 利用超声多普勒原理监测胎儿的心率,是医用超声在产科领域中的一个重 要应用。所谓超声多普勒是指当超声波遇到运动物体,其振荡频率将发生变化。 用一束微弱的超声波测控予孕妇腹腔内的胎儿心脏跳动,当超声波遇到胎儿心脏 后产生多普勒回波,由接收部分接收回波,并提取出胎儿心率的信号】。 目前在医疗器械市场上超声多普勒胎儿监护类产品主要分为两大类:一类 是超声多普勒胎儿监护仪,第二类是超声多普勒胎心监测仪。第一类产品??超 声多普勒胎儿监护仪功能比较强大,它可以准确、迅速地将胎心率记录和显示出 来,还可以将许多记录下来的瞬时胎心率连成曲线或图形综合分析胎心率的变 化,并附加一些像宫缩压力、母亲/胎儿的多种其它相关参数的检测功能,但 这 种设备的价格比较昂贵,主要用于周以上的待产孕妇的检查。在为一般孕妇 进行常规检查时多采用超声多普勒胎心监测仪,用于检查胎儿心率是否正常。若 检查出胎儿心率不正常可再使用胎儿监护仪或其他手段做迸一步的检查,以查明 原因。这种产品操作简单,使用方便,价格也比较便宜,不但占据着一定的医疗 市场,甚至还有进一步走入家庭的趋势,特别是在我国的一些县、乡、镇医院,北京工业大学工学硕士学位论文 超声多普勒胎心监测仪有着广泛的应用。 北京某电子公司是一家专业生产胎心监测仪的企业,但其原来的产品是将所 监测到的胎心信号直接通过扬声器输出,医生使用时要计数大约秒钟的胎儿心 跳,计算出胎心率,因此使用时非常不方便,医生的工作效率非常低、测量数据 不准确。本文的主要研究内容是对该公司所生产的胎心监测仪进行改进,设计实 现一种基于单片机和自相关计算的超声多普勒胎心监测仪,可自动将计算的结果 通过数码管显示出来,以方便用户的使用。图.为该公司所生产的胎心监测仪 改进前的图片。 圈?改进前的胎心检测仪 .国内外研究现状 自从年美国耶鲁大学首次研制出胎心监测仪后,在国外一些发达国家 中,使用胎心监测仪进行胎心监测已经非常普及。目前在国外,如美国、日本、 英国所生产的胎心监测仪都具有自动显示胎心率的功能,如:美国的 公司生产的,英国的公司生产的、等。这 些产品的外形大都非常小巧,通过一条连接线将超声探头与监测仪连接,使用时 可以一手持监测仪,一手持超声多普勒探头对孕妇进行检查,极大地方便了医生 和护士的使用。特别是英国牛津公司的 胎心探测器,采用~种全新 的一体化设计,将信号的采集、信号显示和声音输出集成在一个重量只有克 的仪器中。它使用脉冲多普勒超声探头进行胎儿心率信号的采集。操作非常简便, 所有的操作只有开机、关机、调整音量大小和手动监测胎心,但该产品价格也比第章引言 较高。 目前国内生产的胎心监测仪产品主要有两类:一类是将超声多普勒探头所 接收到的胎心信号直接通过扬声器或耳机输出,由用户计数分钟,计算出 分钟胎儿的心跳次数】。如深圳某公司出产的“天使之音”就是一种家用型的胎 心监测仪,价格非常便宜,但该产品使用耳机听取胎心音,很难将噪声信号和 胎 心信号区分开,所以使用非常不方便。湖北康达医药开发有限公司生产的? 普通型胎心音监护仪,也属这类产品,只是将接收到的胎心信号通过扬声器输出, 并可调节音量的大小。第二类产品为“数显型”,即对所接收到的胎心信号进行 某种方式的处理,计算出胎儿心率并通过数码管将测量结果自动显示出来【】。如 湖北康达医药开发有限公司生产的 数显型胎心音监护仪、上海医大医学设 备供应公司生产的.型胎心监测仪、上海标普实验室设备有限公司生产的 型胎心监测仪都属于这类产品。用户在使用这类产品时只要将超声多普勒 探头放置在孕妇腹部的适当位置上,就能快速显示出胎率,减少了医生的工 作量,提高了工作效率。在各种数显型胎心监护仪中,不同生产产家采用了不同 的处理技术,有的产品是采用直接计数的方法,将超声探头所输出的信号进行放 大、整形后直接由计数器进行计数。有的产品是采用数字滤波的方法,对放大、 整形后的信号进行数字滤波,将高频噪声滤除后再进行计数,计算出胎儿每分钟 心跳次数】。还有的产品则采用微机自相关技术,这类产品具有良好的临床抗干 扰能力,能准确测量胎儿心率,对提高胎儿监护的临床价值具有重要作用。 目前国外正在研究一种远程胎儿监护网纠】,主要用于怀孕周之后的孕 妇。孕妇可到胎儿监护中心购买或租用一套包括专用电话机、导线和带有电话接 口的多普勒胎心听诊仪。孕妇可在家中小时随时拨打中心监护专线电话,方 便地进行胎心监测。一般监护时间半个月一次,一次分钟,有异常时,可以 延长监护时间或者到医院做进一步检查。 远程胎儿监护能及时捕捉到异常的胎心率,提高异常胎心率的检出率,减 少常规监护的盲目性【。经过对照研究,远程胎儿监护增加了孕妇监护次数,能 检出常规监护不能发现的异常心率,减少早产和新生儿窒息的发生,同时免去孕 妇往返医院的不便。国外临床也证实,在高危妊娠情况下,应用远程胎儿监护得 到的胎儿异常率明显高于在医院常规监护发现的异常率,使胎儿宫内缺氧能够得 到及时诊断和处理”。 .主要研究内容和文章结构 ..主要研究内容 超声多普勒胎心监测仪的工作原理是将超声多普勒探头置于孕妇腹部的适 当位置,即可得到胎儿的心跳信号,在理想情况下,将该信号放大、整形后即可得到胎儿心跳的脉冲信号。对该信号进行计数即可得到胎儿心率。但是由于孕 妇 自身的心跳信号往往对胎儿的心跳信号形成一定的干扰,同时孕妇的肌肉运动以 及胎儿运动、胎儿的静脉血流信号、胎儿的呼吸信号都会产生较强的干扰噪声, 使得胎儿心跳信号难于识别,从而导致测量数据不准确 】。因此,如何从叠加了 噪声的信号中提取出胎心信号,提高测量精度,是胎心监测仪要解决的一个核心 问题。 目前一些生产厂家所生产的胎心监测仪采用放大、整形、计数的方法对超声 探头的所接收的信号进行处理,如有些厂家采用秒种计数法,即:将秒钟计 数的结果乘以,就得到胎儿的胎心率。还有一些生产厂家所生产的胎心监测 仪是在放大,整形的基础上进行数字滤波,将高频部分全部滤除,得到包含胎儿 心跳信息的低频部分,通过低频信号的频率,计算出胎儿心跳周期,得到胎心率 ””。这种基于模拟和数字滤波的方法有某些优点,但是这些方法都存在从含有噪 声的信号中提取信息能力不够强的问题,因而导致测量精度不理想。 根据相关检测理论,确定性信号在不同时刻的取值一般具有较强的相关性; 而对于干扰噪声。其随机性较强,不同时刻取值的相关性较差,因此利用数字 信 号处理中相关技术可以将胎儿心跳信号和各种干扰信号区分开来【羽。 信号的自相关函数是指信号与其延时信号的相似性,它是一个时间函数,无 论是随机信号还是周期性信号,其自相关函数不仅与波形有关,而且还与其频率 有关。 信号的自相关函数定义为: ? 【, 。? 尹 即信号与其延时变换式相乘,然后求乘积在秒内积分的平均值。 对于数字系统而言,平均是指把信号以秒为周期进行采样,然后将个 采样点值相乘并求和,即: 』, 寺善.“舱,“地幻 、‘, 根据自相关函数的性质,当的取值刚好等于信号的周期时,其自相关函数 存在峰值。因此可取不同的值即延时值计算自相关函数值,延时值的取值 范围取决于信号的带宽,利用其自相关函数峰值的位置即可确定周期性信号的周 期和频率【。 同样,对胎心信号迸行采样、存储,根据测量范围取不同的延时值,计算不 同延时的自相关函数值。当自相关函数值最大时,由其值即可计算出胎儿心跳 信号的周期,从而得到胎心率。第章引言 根据上述方法,在设计胎心监测仪时可采用数字信号处理中的自相关技术来 测量胎儿心率。 数字信号处理技术目前已广泛应用于移动通信、多媒体系统、雷达卫星和医 学仪器等系统。在各种仪器、仪表中根据应用场合的不同,各种数字信号处理的 实现方法一般可有以下三种: .利用通用的单片机实现。这种方法主要用于一些不太复杂的应用,如数 字控制等。在一些运算量较大的实时控制系统中,单片机是很难有所作为的。 .利用通用的可编程数字信号处理器实现。和单片机相比,通用的可编程 数字信号处理器具有更适用于数字信号处理的软件和硬件资源,可用于复杂的数 字信号处理算法,在通信、语音图像图形处理、仪器仪表等各领域中广泛使用这 种方法。 .利用专用的芯片实现。这种方法主要用于信号处理速度极高的 特殊场合,这种专用芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现,不需要 编程,只要给出输入数据,经过简单的组合就可以在输出端得到结果【】。这种方 法一般用于要求速度很高的场合,它的价格较高,所以不适用于个人和小型单位 开发。 目前在一些简单的医疗仪器、仪表中通常采用前两种方法进行数字信号处 理,但由于通用的可编程数字信号处理器的价格较高【矧,因此本文在设计胎心监 测仪的方案时,为降低产品成本,使产品价格尽可能降低,以适合我国的具体情 况,采用了通用的单片机来实现数字信号的处理。 本文的主要研究内容有:胎心信号的采集、数据的组织与存储。对所采集的 胎心信号进行相关分析,研究相关算法。利用单片机完成数字信号处理,采用自 相关算法滤除各种干扰信号,计算出胎儿心率。 ..文章的结构 本文共分章。第章为绪论,主要介绍了本课题的研究背景与实际意义, 目前国内外有关胎心监测仪的研究现状以及本课题的主要研究内容。第章将主 要介绍自相关分析技术,介绍自相关函数的定义、自相关函数的性质、自相关函 数在实际中的应用和自相关函数的估计方法。第章将主要介绍胎心监测仪的硬 件设计,包括胎心监测仪的系统结构框图及数字处理单元的电路设计。第章为 胎心监测仪的软件系统设计,主要介绍如何实现胎心信号的采集,数据的组 织与 存储,如何进行自相关函数值的计算并由此计算出胎儿心率。第章将对胎心监 测仪的使用效果进行分析。最后是结论,将介绍本文所做的一些工作,展望下一 步的工作。北京工业大学工学硕士学位论文 .本章小结 本章首先介绍了对胎儿心率进行监测的重要意义,介绍了利用超声多普勒原 理进行胎心监测的一般方法。介绍了目前国内外对胎心监测仪的研究现状,并对 目前国内一些生产产家所生产的胎心监测仪在测量胎心率时所采用的一些技术 做了简单介绍,指出采用这些方法进行胎心监测存在的一些问题,提出了利用数 字信号处理技术中的自相关技术从噪声中恢复胎心信号,从而提高胎心监测仪的 抗干扰能力,使测量精度能够达到一个较高的水平。第章自相关分析技术介绍 第章自相关分析技术介绍 ,离散时间信号自相关函数定义 离散时间信号的自相关函数的定义为【: 尺,??其中?中的取值可以是、、、??,分别是和相差 个抽样间隔、个抽样间隔、??、个抽样间隔所得到的新序列。 式可等价于 ‘? 月‘. 由式?说明白相关函数,反映了信号和其自身 段延迟之后的的相似程度。由式?可知: ,?? 即等于信号自身的能量。如果不是能量信号,那么 将趋于无穷大【】。因此,对于功率信号,其自相关函数应定义为 十 弛。者.羹咖川?’ . 若是周期信号,且周期为,由式?,可得到其自相关函数为 。百?? ??憎 』口 随寺善。,一咖? ? 即周期信号的自相关函数也是周期函数,且和原信号的周期相同,这样, 在式?中,无限多个周期的求和平均可以用一个周期的求和平均来代替, 即 ,‘寺善。川一’ .自相关函数的性质 自相关函数具有以下一些性质【: 若是实信号,则为实偶函数,即一; 若是复信号,则满足一。北京工业大学工学硕十学位论文 在时取得最大值,即 ? 此式说明,自相关函数在为其他值时,都不会大于它的初始值。 若是能量信号,则当趋于无穷时,有 此式说明,将相对自身移至无穷远处,二者已无相关性,这从能量 信号的定义就可理解。 若是周期性的,则不收敛,也是周期性的,且频率与 的频率相同。 .自相关函数的应用 在一些实际应用中,利用自相关函数可以检测淹没在噪声中周期信号的频 率和检测信号的回声【】。 检测淹没在随机噪声中的周期信号 利用自相关函数可以检测被随机干扰所污染的由观测所得的物理信号的周 期性,从而得到被观测信号的频率。例如,对于如下信号 这里是一个周期未知的周期信号,宵为加性随机噪声干扰信号。 假定观测的个样本,..,其中,是被观测信号的周期。 实际中,可以假设当和蛇时,,并且利用归一化因子/,所 以的自相关序列为 ,‘卟寺蕃。“’ 如果将式?代入式,则可得到 ,女‘?【’.】【一??一声】 玎竹一七 上 亩薹?咖吣?堋古毛咖后 七七七露 式中等号右边的第一项是的自相关序列。由于是周期 ..第章自相关分析技术介绍 的,所以其自相关序也是周期的,并且周期与相同,因而在, ,,??时,会出现较大的峰值。 然而,随着趋向于,峰值会逐渐减小,因为样本数是有限的,以在 至于乘积中的许多为零。所以,对于/,通常就不计算了。 而信号和加性随机干扰之间的互相关和 相对较小,因为我们希望和将是完全不相关的,而式.右边的 最后一项是随机噪声序列的自相关序列,由于随机噪声信号的特点,虽 然在处,它的相关序列肯定会出现峰值,但是会很快衰减到零, 所以当时,只有有较大的峰值,利用这个特点使我们可以从噪声 和干扰中检测出周期信号是否存在以及它的周期是多少。下面通 过一个简单的例子来说明利用自相关函数检测被噪声淹没的周期信号的周 期。 假设信号?/,??,与加性噪声信号 混合在一起,噪声的值是一个一个地独立选取的,服从在.?/。?/上的均 匀分布,其中?是分布参数。观测序列是,求自相关序列 并确定信号的周期。 由于信号序列是周期的,但并不知道它的周期,现在要从被噪声污 染了的观测序列中确定的周期。尽管的周期为,但 仅有一个长度即的个周期的有限时宽序列,噪声信号 的功率水平由参数?决定,我们可以简单地确定?/,信号功 率水平/,因此,信噪比为 / ,醛/筮 通常,用对数方式/表示,单位为。 图.和分别是噪声信号的取样和当信噪比为 时的【的取样,自相关序列如图所示。我 们可以看出淹没在噪声中的周期信号导致了一个周期性自相关函数, 周期为。加性噪声效应被加在的峰值处,但当?时,因为噪声是不 相关的,则相关序列。这样的噪声叫白噪声,正因为这种噪声的出 现,使得时峰值最大,而由于的周期性使得在?、、时,峰值较小,并且相差不 大。 图用自相关方法检测被噪声污染的周期信号。婶 州郴聃一 , 图用自相关方法检测被噪声污染的周期信号 图给出的是噪声功率较小的噪声序列、含噪声信号和自相 关序列,此时。由图可以看出,即使在这样较小功率 的噪声情况下,通过观察来确定信号的周期性也是非常不容易的。 但是,观察自相关序列却很容易看到信号的周期性。 检测信号的回声 利用自相关函数还可以检测信号的回声。若信号中存在有时间延迟 的回第章自相关分析技术介绍 声或反射,那么自相关函数将在 处达到峰值,而且归一化自相关函数 /的大小将给出回声的相对强度的量度。当信号是宽频带信号 或是在空中发射的雷达信号时,经目标反射产生回波,对回波作相关分析,就可 确定目标的距离、方位和速度【。 如果两个测量点之间的距离为确定值,检测出目标物体通过这段距离所需要 的时间,就测出了目标的运动速度。这种方法通常用于常规检测仪器难于应用的 检测对象,例如遥远的目标利用光学手段定位两个测量点、高温或危险的检 测对象、会导致常规仪器工作不正常的检鲤对象等。其中成功应用的例子有热轧 钢板和纸张的速度测量,机动车对地无打滑速度测量、云块移动速度的测量【】。 如果某种对象的运动速度已知,那么测出它通过两点之间所需要的时间,就 可以计算出这两点之间的距离。例如,超声测距的接收波和发射波之间的延时量 就表征了被测距离的长短。在气体或液体检漏、雷达、导航等应用领域,由 延时 确定的距离是目标定位的主要依据。利用相关函数抑制噪声的特性,可以使 测量 结果的信噪比大为改善。 .自相关函数的估计方法 在实际应用当中,我们所遇到的信号一般都是实际的物理信号,因此是有 因果性的,即当时,;,且是实信号,其自相关可以用下 面的式子给出: 坠 。??? 在实验中,只能得到个观测值。如何由个观测值估计出的自相 关函数,一般可采用直接估计法和快速计算法口。 自相关函数的直接估计 若观测数据的点数为有限值,估计的一种方法是 十寺善。巾川一? 由于只有个观测值,因此对于每一个固定的延迟,可以利用的 数据只有..七个,在~一的范围内,上式变为 融寺萎。巾川”? 的长度为.,它是以为偶对称的。对于一个固定的,只 有当七时,“的均值才接近真值:当七越接近时,估计 的偏差越大。 自相关的快速计算北京工业大学工学硕士学位论文 利用式.计算“时,如果和都比较大时,则需要的乘法 次数太多,运算量太大,因此其应用受到限制,可以利用来实现“, 式.可以写成: 寺薹。小’扣“’ . 式中表示由在中的个观测值所组成的序列。对“求傅 里叶变换得 肿 一?一月一? :上。 七(%一篾 ??州 鼢? 寺?,?,?一叫 』’一 ‘一?一 因为两个长度为的序列的线性卷积,其结果是一个长度为.点的序列, 因此为了能用来计算线性卷积,需要把这两个序列的长度扩充到.点, 利用计算相关时,也是如此?。为此,把补个零,得, 即有 ,,,?,记的傅里叶变换为,则 叶”“’ . :?“‘一 ” ’融嘉.:上亨’‰,月舯 ?融嘉州寺?‰一舯?令,由于的取值范围是~,所以的变化 范围也应是~.,这样上式变为 』’ ;一,一 扣磊等四删专‰? 式中,是有限长信号的能量谱,除以后即为功率谱。 这说明,由,估计出的自相关函数函数“和是一对傅里叶变 换,可以用快速计算,所以用计算自相关的一般步骤如下: 对补个零,得,对作得, ,,?: 求的幅值平方,然后除以,得; 对/作逆变换,得“; 将“中的.??部分向右平移点后形成“。第章自相关分析技术介绍 在实际应用中,可根据具体使用情况选择采用直接估计法或快速计算法来 计算自相关函数值。 .本章小节 本章对自相关技术作了简单介绍。介绍了离散时间信号的自相关函数的定 义,自相关函数的性质。自相关函数的一个非常重要的性质是:若是周 期性的,则其自相关函数也是周期性的,且频率与的频率相同。 在时取得最大值,即?,若为周期信号, 为信号的周期,则在,,,??时,会出现较大的峰值。本文 正是利用自相关函数的这一特点来设计胎心监测仪的方案。此外在本章中还介绍 了自相关函数在实际中的应用,通过一个具体例子说明利用自相关函数可以恢复 被噪声淹没的信号,从而检测出周期信号的频率。本文在设计胎心监测仪就是利 用这一点来提高所设计的胎心监测仪的抗干扰能力,达到较高的测量精度。在本 章的最后,介绍了两种自相关函数值的估计方法,在实际应用中可根据实际情况 选择适合的方法来计算信号的自相关函数值。第章胎心监测仪的硬件设计 第章台监测仪的硬件设计 .胎心监测仪的系统结构 超声多普勒胎心监测仪的系统框图如图所示。主要由超声多普勒探头、 前置放大器、放大检波、脉冲形成、数字信号处理、显示等单元组成,整 个系统以数字信号处理单元为核心。 将超声多普勒胎心探头所测得的胎心信号经过放大检波和脉冲形成电路,形 成胎儿心跳的脉冲信号,对该信号进行计数即可计算出胎儿的胎心率,但由于各 种噪声干扰,在脉冲信号中会有各种噪声信号,从而导致测量数据不准确。为此, 将脉冲信号送入数字信号处理单元做自相关计算,计算出胎儿心率并通过数 码管 将胎心率自动显示出来,以方便用户使用。 图胎心监测仪系统框图 .数字信号处理单元的电路设计 数字信号处理单元由采样单元、相关计算单元和结果显示单元组成。其中采 样单元和结果显示单元主要由一片单片机和三个数码管组成,相关 计算单元由另外一片单片机、一片位地址锁存器和一片的静态 组成。两片单片机采用程序中断方式交换数据,分别担任采样、相关 计算和结果显示的任务,很好地解决了低档单片机运行速度不够的问题,同时使 用两片低档单片机完成通常需要由专用数字信号处理芯片才能完成的取样及计 算工作,使产品的成本大大降低,这也是本文所述方案的一个重要特点。 .. 单片机简介 本文所介绍的基于单片机的胎心监测仪,采用的是公司生产的 系列的单片机。其中的是型单片机,采用双列直插封装,北京工业大学工学硕士学位论文 有个引脚。该单片机采用公司的高密度非易失性存储技术制造,与 美国公司生产的一系列单片机的指令和引脚设置兼容。它主要有 以下几个部分组成:一个位中央处理单元,内置字节可重复编程 ,可重复擦写次。字节的片内数据存储器。个位根 双向可编程/口,个位定时/计数器,中断系统有个中断源,可编为两 个优先级,一个全双工可编程串行通道以及一个片内振荡器和时钟电 路。其内部结构框图如图.所示。下面简单介绍单片机内部的一些主要部件。 地蛾据 图 单片机的结构框图 并行输入/输出接口 有个双向的位并行输入输出接口,分别记为、、和 ,每个并行接口除了可作为字节的输入输出外,每条/线还可单独地用做输 入输出线,它们的结构和特性基本相同,但又各具特点。 】口为准双向口用做输入时,口锁存器必须为“”,故称为准双向,它 的位引出线.~.能独立地用做输入或输出线。口也为准双向口,与 口不同的是口是双功能口。口作为第一功能使用时,口同口。 口作为第二功能使用时,它的引脚定义如表.所列。第章胎心监测仪的硬件设 计 表 口的第二功能定义 .端口引线 第二功能 . 串行输入口 . 串行输出口 . 外部中断输入线 . 外部中断输入线 . 定时器外部计数脉冲输入 . 定时器外部计数脉冲输入 . 外部数据存储器写选通 . 外部数据存储器读选通 需要说明的是,、、、口作为普通/口使用时都是准双向结 构,其输入操作和输出操作本质不同,输入操作是读引脚状态,输出是对锁存 器 的写入操作。当内部总线给口锁存器置或时,锁存器中的、状态立即反 映到引脚上。但在输入操作时,如果锁存器状态为引脚被钳位状态,导致无 法读出引脚的高电平输入。因此,准双向口作为输入时,应先使锁存器置称 之为置输入方式,然后,再读引脚。例如:要将口的状态读入到累加器 中,应执行以下两条指令口: , :口置输入方式 , ;读口引脚状态到 另外,口的端口自动识别功能,保证了无论是口低位地址 高位地址的总线复用,还是口的功能复用,内部资源自动选择而不 需要用指令进行状态选择。 定时器 利用定时器可以为系统提供实时时钟以实现定时或延时控制,如定时中断、 定时监测或定时扫描等。在内部有个定时器,称为定时器 和定时器,其内部由计数器、计数器、方式控制寄存器和定时器控制 寄存器组成。其中计数器和计数器分别由位计数器、和、 构成,通过对、、、的初始化编程来控制和的计数 初值。方式控制寄存器控制定时器的工作方式。定时器控制寄存器控制定时 器的 运行,同时还包含了定时器和的溢出标志位。通过对这个寄存器的初 始化编程来选择、的工作方式和控制、的定时或计数。 单片机的两个计数器、和、可以分别构成位北京工业大掌工学硕士学位论文 ??? ?目自 的计数器、位计数器和位计数器。计数器是定时器和的核心,它可 以对引线和的外部事件计数,也可以对单片机的机器周期计数。一个机 器周期等于个振荡脉冲周期,因此计数频率为振荡频率的/。这样不但可 以根据计数值计算出定时时间,也可以反过来按定时时间的要求计算出计数 器的 预置值。计数器是加法计数器,所以预置的计数初值应为计数值的补数。 例如:着单片机采用的晶体,欲定时,计算计数器的初值: 机器周期等于: 坐;:。 上 计数值等于:。七/ 的位、位和位的补数分别为、和。所以计数 器预置的计数初值:位计数器为和,位计数器为和, 位计数器为。 工作方式控制寄存器是一个位寄存器,用于控制和的工作 方式,各位的定义如下: 从的定义可以看出其高位与低位的定义相同,高位~ 用于控制,低位用于控制,其中各位的含义如下。 是门控位。为时,定时器的计数器受外部引线或 输入电平的控制,输入为高电平时计数,输入为低电平时停止计数,为 时,定时器的计数不受或引线的控制。 厂是定时器和计数器的选择位。/为,选择计数器方式,对引线输入 的外部事件计数,/为,选择定时器方式,计数器对机器周期进行计数。 和是定时器的工作方式选择位,和有~共个状态, 可分别选择方式位定时器,方式位定时器,方式位自动重 装载定时器和方式分为个位的定时器。 定时器控制寄存器是可位寻址的特殊功能寄存器,它的低位用于 定时器控制,高位定义如下:第章胎心监测仪的硬件设计 其中和用于控制,和用于控制,功能相同。 是定时器的溢出标志位,当定时器的计数器计满溢出时,由硬件置位,并 向申请中断;当响应中断后由硬件清零。鼬是定时器的运行控制位。 由软件置位和清零,置位时,定时器面的计数器开始计数,为零时停止计数。 单片机的中断系统 单片机是一个多中断源的单片机,可有个中断源,分别是:外 部中断,定时器中断,外部中断,定时器中断和串行接收和发送中断。 其中外部中断是由外部的中断请求信号引起的,共有个中断源,即外部中 断和外部中断。它们的中断请求信号分别由的引线. 和.引入。输入到和引线上的有效的外部中断请求信号, 分别置位外部中断请求位和。外部中断请求信号的触发方式有两种,即 电平触发方式和边沿触发方式。可通过外部中断触发方式控制位和的定 义进行规定。 定时器中断是单片机内部的定时器定时时间到或计数值已满引起 的中断。在单片机内部有个定时器和,它们的计数器可以对 内部时钟或从外部引线.和.输入的外部脉冲进行计数。当 计数器发生计数溢出时,即表明定时时间到或计数值已满,这时就以计数器 的溢 出信号为中断请求信号,将定时器的溢出标志位或置位,向单片机的 申请中断。 单片机有个中断源的个中断标志位和外部中断的个触发方 式控制位分别由特殊功能寄存器和的相应位所锁存。和 分别为定时器和串行口的控制寄存器。其中中的中断标志位如下: 单片机的对中断的开放或禁止及对个中断源是否允许中断, 是由内部的中断允许寄存器控制的,的格式如下: 是单片机的的中断开放标志位的总允许位。,禁止 一切中断。,则各个中断源的中断请求是允许还是禁止,分别由各自的中 断允许位确定。是串行口的中断允许位。和分别是定时器和 的允许 和外部中断 的中断允许位。和分别是外部中断 位。中断允许位的意义是;为时禁止中断,为时允许中断。北京下业大学学硕:学位论文 单片机有商、低个中断优先级。个中断源可由程序设置为高优 先级中断或低优先级中断,实现二级中断嵌套。个中断源的优先级由中断优先 级寄存器的相应位设定。的格式如下: 是串行口的中断优先级控制位。和分别是定时器和的中 断优先级控制位。和分别是外部中断和的中断优先级控制 位。中断优先级控制位的意义是:卜设定为低优先级中断源;??设定为高 优先级中断源。 单片机的在每个机器周期的最后一个状态查询每一个中断源 的中断请求标志位。如果查询到有中断标志位为,则在紧接着的下一个机器周 期的第个状态开始进行中断响应。中断响应的主要内容就是自动生成~个长调 用指令。长调用指令的操作数就是程序存储器中相应中断源的中断处理 程序的入口地址。 单片机的个中断源的中断处理程序的入口地址如表.所列。生 成的长调用指令紧接着由执行。丽首先将程序计数器的内容压入堆栈 保存;然后将中断入口地址装入,使程序转向相应的中断处理程序。 表中断源的中断处理程序入口地址表 入口地址 中断源 外部中断 定时器 外部中断 定时器 串行口 从表.可见,各中断处理程序的入口地址只相隔个单元。而一般情况下, 在个单元中很难安排下一个完整的中断处理程序,因此可在各中断入口地址 处 设置一条无条件转移指令,使程序转向存放在其他地址的中断处理程序。 ..采样和显示控制单元的电路设计 采样和显示控制单元的电路设计如图.所示,主要是由一片:的 单片机构成的,采样和显示控制单元的主要功能是负责对脉冲形成 电路所输出的胎心脉冲信号进行采样并将采样数据组织成字节数据,以中断 方式 .第章胎心髓测仪的硬件设计 送到相关计算单元的外部数据存储器存储。同时相关计算单元计算出结果后 通过 单片机的外部中断的引脚,即向该单片机的申请中断,以中断方 式将计算结果送回该芯片,由该芯片负责控制显示单元电路,将计算结果通 过 显示出来。 是一种带有字节闪速可编程可擦除只读存储器 的低压、高性能微型计算机。与标准型的相比,所 提供的并行/端口数较少,它的外部引脚只有条,比标准型的引脚少得 多,所以被称为低档型的单片机。同样采用的高密非易失存 储技术制造并和工业标准.兼容。在单块芯片上组合了通用的和闪 速存储器。它的功能较强、价格低廉,使用灵活,为许多嵌入式控制应用提供 了 一种高度灵活和成本低廉的解决办法。该芯片提供了以下标准功能:字节闪 速存储器,字节,根/引线,一个位定时器/计数器,一个三向 量两级中断结构,一个精密模拟比较器及片内振荡器和时钟电路。 砷, , ‘ 埔 ?. ?‘ ? , ,“ ? .时 , ?’ ;:?妊圭主? ,, 竹 乃, , 霉辛素’篷 : 箍。一? 研 图?采样及控制显示电路图 订 的口是一个位准双向?口,口是一个位准双向双功 能/端口,即口的部分引脚既可作为/端口又可用于实现第二功能,如 .和.作为外部中断请求信号,.作为定时器的外部输入。内部有一个 位的定时器,通过对该定时器/计数器进行编程,产生采样所需的定时信号, 当计数器满时向申请中断,响应中断通过口的.读入由脉冲形 成电路输入的胎心信号,进行采样,由于是对脉冲信号进行采样,采样的结果 或 者为或者为,不需要再进行量化和编码,只需用位二进制即可表示,将 个采样值组成个字节后,通过口的.向相关计算单元中的另一片单片机 发中断请求,通过口将字节数据传送到相关计算单元并存储在外部数据存储北京工业大学工学硕士学位论文 器中等待处理。当相关计算单元计算出一个结果后通过单片机的 向申请中断,将数据通过口送回到,控制将结果显示出 来。 ..采样频率的确定 在采样单元中,一个关键阋题是采样频率的确定,它决定了采样信号的质量 和数量。采样频率太低,会影响测量的分辨率。使测量精度达不到要求。采样频 率太高,会使数据量剧增,占用大量的存储空间,同时数据的计算量也大大增加, 影响测量的响应时间四。因此应根据胎心监测仪测量范围和测量精度的要求确 定采样频率。 如绪论部分所述,正常的胎率范围是拍/分~拍/分,为此将胎 心仪的测量范围定为拍/分~拍/分,对应的频率在~.,为了在测量 范围内能够达到拍的分辨率,也就是使胎心仪能够区分拍和拍,计算 的时间分辨率应为: :旦一旦:.?.:.秒 对该数求倒数,可求得采样频率为: ??:. . 为计算方便将取样频率定为,这样每秒钟可产生个字节的数据, 相应的时间分辨率约为.秒,能够满足测量精度的要求。 在胎心监测仪的采样单元中,单片机的晶体振荡器的频率为 ,要实现的采样频率,计数器的初值的计算如下: 机器周期等于: 生;.。一 ×?? 计数值等于: /×.×. 的位补数为。所以计数器和预置的计数初值应 该是:位计数器为和。 ..相关计算单元的电路设计 相关计算机单元的主要功能是接收来自采样单元的胎心信号数据,将数据存 储在外部数据存储器中,并对数据进行自相关计算以滤除各种干扰噪声,达 到精 确测量胎心率的目的。如图所示,相关计算机单元主要是由一片 单片机、一片位地址锁存器和一片的静态组成。第章胎心监测仪的硬件设计 图相关计算单元电路 ?所有的 单片机都将存储空间分为程序存储器和数据存储器两个 不同的存储空间,其存储结构如图.所示。 程序存储器只读 数据存储器读,写 图 单片机存储器的配置 在胎心监测仪的相关计算单元中,根据实际需要,使用内部 的程序存储器存放程序,另外设计了的外部数据存储器循环存放采样数据 和计算的中间结果,其地址范围为~。其中~这个 区域用来循环存放采样的数据,~用来存放自相关计算的结果。 的口作分时复用的地址/数据线,作地址线使用时输出位地 址的低位,口作地址线使用输出位地址的高位。 当采样单元每采集到个样点数据后,将采样数据组成字节,通过相关计算 单元的的外部中断即引脚向申请中断,响应中断通北京工业大学工学硕士学位论文 过口将数据读入并通过口将数据写到外部数据存储器进行存储。 .本章小结 本章首先介绍了胎心监测仪的系统结构图,将超声多普勒探头所接收到的胎 心信号经过放大检波和脉冲形成电路,形成胎心脉冲信号,为避免各种噪声干扰, 提高测量的精度,将脉冲信号送入数字处理单元进行相关计算。数字处理单元由 取样单元和相关计算单元两部分组成。这两部分所使用的核心部件都是 系列单片机。因此在本章的第一节中对系列单片机的一些主要部件如 端口,定时器以及中断系统的使用做了详细的介绍,并分别介绍了胎心监测 仪中取样电路和相关计算单元的电路设计方案。在取样单元中,一个关键问题是 如何根据测量范围和测量精度的要求来确定胎心信号的取样频率,本章介绍 了胎 心监测仪取样单元中取样频率确定的思路。第章胎心监测仪的软件设计 由于胎心监测仪使用了两片单片机分别完成采样和相关计算的任务,所以胎 心监测仪的软件设计分为个部分。所有程序采用单片机的汇编语言 编制,具有程序执行速度快,占用存储空间少的特点,其软件系统结构如图. 所示。 程序 采面觯酣 单芋 初主采显 序理 始程样示 化序中中断断程处 程序 程序 系软结 统件构 ,,,,?????,‘、?,??? 相算程耕鞔序 计元赴 初主中 化序处理程 始程断 序 厂厂 图系统软件结构图 .采样单元程序设计 采样单元的程序由初始化、主程序、采样中断处理程序,显示中断处理程序 部分组成。在这一节里将介绍较为重要的初始化程序和采样中断处理程序。 初始化程序的主要完成以下功能: 设置堆栈指针; 设置中断允许寄存器和中断优先级寄存器。将中断允许寄存器设置为 ,中断优先级寄存器设置为。即禁止一切中断,定时器和外部中断 的中断允许标志位为,并将外部中断的优先级设置为高优先级; 将单片机内部数据寄存器清零: 设置定时器的工作方式及计数器的初值; 部分初始化程序如下::.撑 . 爿 ;禁止一切中断,定时器和外部中断 的中断允许 .? ;标志位为,将外部中断的优先级设置为高优先级 ?,稃蒯 ; . : ,群 ; .拌 : . .撑 采样中断处理程序,是由内部的定时器按照的频 率向申请中断,响应中断获得定时器的中断入口地址,转去执行采 样中断处理程序。在编写采样中断处理过程中,由于是对脉冲信号进行采样, 用 位二进制数就可表示一个样点的数据,将个采样点的数据组织为一个字节进 行存储和计算。因此要解决的一个关键问题是如何将读入的脉冲信号组织成 字节 数据。为此该程序使用单片机内部数据存储器的单元作“位计数器”,其初 始值为,用单元存放采样到的字节数据,用单元存放采样的 位数据,根据.口的状态是或,将单元置为全“”或全“”,根据 单元的内容及“位计数嚣”的值将单元的相应位置“”或置“”,每 读入一位采样数据将“位计数器”的值右移一位,当计数器的值再次等于 时,表示己采样到一个字节的数据,通过口的.向相关计算单元的 申请中断,并将单元的数据送到口。图.为将位数据转换为字节数据 的流程图。 部分采样中断处理程序如下:: ; .拌 ; 名 ,?“ ?啪???? 协鸯 ?一一??一,一一?一~. ? 、、/ 图将位数据转换为字节数据流程图 ; . , ; : , , : ,, : 乱, ,, : , : : , : ?: . . . 扎 ; , .. .稃 : , .撑 : .相关计算单元程序设计 相关计算单元程序由初始化程序、中断服务程序、主程序部分组成。中断 .第章胎心监测仪的使用效果分析 服务程序主要是将采样单元送来的数据写入外部数据存储器。主程序的主要功能 是计算自相关函数值,根据自相关函数的峰值所对应的,采用查表方法得到胎 心信号的频率。 如第一章绪论部分所述,在计算自相关函数时可以采用直接估计法或快速计 算两种方法。但由于本文所述的胎心监测仪方案,使用单片机作为计算工具,做 傅里叶变换有一定难度,同时由于采样单元是对脉冲信号进行采样,和 的取值只能是或,两个信号和.在做乘法运算时,是 将和?在相同时刻时的值对应相乘,而×,, ,×,因此可用逻辑“与”运算代替乘法运算,可大大加快运算速度, 因此为了简化编程,在设计胎心监测仪软件的自相关计算部分采用了直接估计方 法。 计算点数的确定 可利用绪论部分的计算公式计算自相关函数值,由于要对不同延时 值所对应的自相关函数值进行比较,找出最大值,因此可将计算自相关函数 值 的公式简化为: 坠 :月?一 月? . 为取样点值。由于将胎心监测仪的测量范围定为拍/分~拍/ 分,实际计算时范围为拍/分~拍/分,信号的最低频率为每分钟 拍,所以计算周期至少为秒,为得到足够的计算精度,每秒钟计算一次 相关。因此在设计相关计算单元的程序时,利用公式.计算自相关函数, 其中的,即所取样点数为。 的取值范围的确定 在利用公式.计算自相关函数时,式中的取值可根据公式/ 计算出来,其中为采样频率,为胎心率,根据实际测量范围的需要,的取 值分别为、、、??、,一共有个值。由此可得的取值为、 .、.、??、,的取值有可能带小数。 自相关函数值的计算 对每一个的取值需要计算.,而和在做乘 法运算时,是将和.两个序列在相同时刻时的值对应相乘。由 于的值为,而采样数据序列是按字节组织的,一共需要计算 个/字节的数据。每次可将存储在外部数据存储器某个单元中的个样 点值与的个样点值做乘法,循环计算个字节。而 的个样点值一定是在同一字节中,但由于的值有可能不是整数,这样 的个样点值有可能不在同一个字节中,而需要将相邻的两个字节中的若干位 做北京业大学学硕士学位论文 组合。因此在编写计算白相关函数值的程序中,要解决的一个关键问题是如 何根 据的值,取相邻的两个字节的数据做组合,形成新的序列。为此在程 序存储器中建立一个表,对每一个的取值,在表中占个字节,第个字节为 /的整数部分,第个字节的内容为需要移位的位数,它的取值为、、 、、、、或之间的一个数,第个字节内容与除以 之后的小数部分值的关系如下: /的小数值 第字节的内容 /的小数值?. .材的小数值?. ./的小数值?. .?的小数值?. ./的小数值?. .潞的小数值?. ./的小数值?. ./的小数值?. 该表放在程序存储器的开始的区域中,表的长度为个字节,表的 部分数据形式如下: ,,,,,; ,,,,: ,,,,,,; 该表是拍~拍所对应的/的整数值和需要进行移位的值。分别将每 一个值所对应的第个字节内容送入内部的寄存器,第个字节内容 送入寄存器。当的内容为时表示/的值为整数,对.序列不 需要做移位;当的内容为时表示的值不是整数,需要修改数据指针将 上~字节内容的最低位与当前字节的高位组合成一个新字节。当“的内容为 时,需将上一字节内容的最低位与当前字节的高位做组合,组成一个新 字节,??依此类推,得到.的序列。其部分程序的流程图如图.所示。 第章胎心监测仪的使用效果分析 ;蓦一 一?三 旬 窑 拿;; 臣三国 。一一?一一一 臣亘自臣亟国 一一一一一一 图读取的流程豳 下面是从外部数据存储器中读取 和的部分程序。其中使用 内部数据存储单元的用来存放的高位,用来存放的低 位,用来存放从外部数据存储器中读取的的个样点值,寄存器用来 存放/的整数部分值,寄存器用来存放/的小数部分值所对应的需要移位 的次数,内部数据存储单元的用来存放.的高位,用来存放的 低位,寄存器用来存放从外部数据存储器中读取的.的个样点值。程 序中所使用的寄存器及内存单元的定义如表.所示。北京工业大学工学硕士 学位论文 表 读