CN112306942B - 一种基于串行外设接口传输协议的生物电信号采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子电路技术，旨在提供一种基于串行外设接口传输协议的生物电信号采集方法。该方法是利用接口转换模块将SPI通讯协议转换为USB通讯协议，上位机工作在主机模式，生物电信号采集***中的单片机工作在从机模式；单片机用于生物电信号进行模数转换和数据上传，上位机用于启动数据传输的需求；单片机根据缓冲区中有效数据情况，选择传输有效数据或无效数据；上位机除去无效数据后即获得有效数据。本发明有效地解决了数据采集与通讯的异步问题。上位机不用考虑单片机的工作状态，无需对单片机发出任何控制指令，在任何时刻直接启动数据传输即可获取数据，大大增加了***的易用性。简化了单片机编程的逻辑，使得整个***易于维护且稳定可靠。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术，具体涉及一种基于串行外设接口（Serial PeripheralInterface，SPI）传输协议的生物电信号采集方法。
背景技术
生物电是生命活动的基本属性，具有生命的机体在生命过程中都会有生物电的产生。利用生物电的信息可以了解人体各器官的功能，进行临床诊断及治疗。临床上常见的生物电信号主要有：心电、脑电、肌电、胃电、视网膜电等。这些体表生物电信号通常能通过电极拾取，经适当的生物电放大器放大、记录而成为心电图、脑电图、肌电图、胃电图、视网膜电图等。
生物电信号是一种强噪声背景下的低频微弱信号。从被干扰和噪声淹没的观察记录中提取各种生物医学信号中所携带的信息，往往需要非常复杂的电路设计，不仅要求电路本身有非常高的灵敏度、共模抑制比等，也要求选用的元器件有非常高的精度和非常低的噪声，这就使得传统的模拟生物电信号的采集***往往非常复杂而且价格高昂，同时维护成本很高，不易维修。如果研究对象是人体的生物电信号，加上安全性的考虑，***复杂度更是成倍增长。
随着数字技术的不断发展以及计算机运算能力的不断增强，如今更多地是采用数字信号处理的方式对生物电信号进行时域和频域上的处理和分析，这使得对传统生物电信号的前置放大电路和滤波电路的要求大大降低，进而将问题转变为如何将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，以及将转换后的数字信号高效地传输到计算机以便对信号进行后期的数字处理。
数字信号采集***与上位机之间需要进行通信以交换信息，由上位机通过调用驱动程序启动与数字信号采集***的采集数据传输。目前，上位机与数字信号采集***之间的通讯普遍基于USB通讯协议或TCP/UDP通讯协议，上位机通过指令***获取和控制数字信号采集***的工作状态以及数据转换和数据传输的启停。这种方式的弊端是将会导致控制机制变得异常复杂，大大增加了用户在编程调用时的复杂程度，让可靠性大大降低。其原因就在于数据的采集（或者说模数转换）与数据的传输在逻辑上是相互对立的，或者说是异步的。因此许多数字信号采集***往往会通过增加额外的数据传输硬件来解决这些问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于串行外设接口传输协议的生物电信号采集方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于串行外设接口传输协议的生物电信号采集方法，是利用接口转换模块将SPI通讯协议转换为USB通讯协议，上位机工作在主机模式，生物电信号采集***中的单片机工作在从机模式；单片机对采集到的生物电信号进行模数转换，存储至数据缓存区；上位机调用驱动程序启动数据传输的需求，单片机在收到请求后判断数据缓存区是否存在有效数据；若有则将有效数据传送给上位机，若没有则将约定格式的无效数据传送给上位机；数据传输请求结束后，单片机重新继续进行模数转换操作；上位机对读取到的数据进行过滤，除去无效数据后即获得有效数据。
本发明中，所述生物电信号采集***包括：依次电连接的采样电极、前置放大单元、光耦隔离单元、单片机，以及为各元器件供电的电源模块；所述单片机具有模数转换模块和SPI接口，并通过SPI接口和接口转换模块连接上位机；其中，
前置放大单元用于放大信号和抬升电平；光耦隔离单元用于对信号进行隔离传输；单片机用于对信号进行模数转换和通过SPI接口传输数据；接口转换模块单元用于将SPI通讯协议转换为USB通讯协议，使得***能通过USB接口与上位机通讯；电源模块单元用于为各元器件供电。
本发明中，该方法具体包括：
（1）采样电极获取的生物电信号经过前置放大单元和光耦隔离单元后，接入单片机模拟信号输入引脚；
（2）单片机在运行过程中设置SPI传输中断允许，并循环检测数据缓存区是否被写满；若未被写满，则启动定时器开启模数转换模块进行模数转换，并将转换后的值保存至数据缓存区；
（3）上位机根据用户需求，调用接口转换模块提供的驱动程序，启动基于SPI通讯协议的数据传输；此时，上位机作为SPI传输主机，单片机作为SPI传输从机；
（4）单片机在收到SPI通讯中断请求后，中断响应程序判断将数据缓存区是否有有效数据；若有则将有效数据移出后传送给上位机，若没有则将一个事先约定的无效数据传送给上位机；中断响应结束后回到单片机的主程序，继续判断是否需要启动模数转换；
（5）上位机在收到单片机传送的数据后，逐一判断其有效性，过滤掉无效数据后获得有效数据。
本发明中，单片机从数据缓存区移出有效数据并传送给上位机，以腾出存储空间；通过对单片机的采样频率、缓冲区大小以及数据传输的时间间隔进行合理配置，实现生物电信号的循环动态采集。
发明原理描述：
对于单片机而言，数据的采集（或者说模数转换）和数据的传输在逻辑上是相互对立的，或者说是异步的。因此其与上位机的通讯必须基于一定的通讯协议。
本发明的创新点是：基于串行外设接口(SPI)传输协议，设计了一种上位机与单片机之间的通讯协议，通过对模数转换中无效数据的利用，用下位机***无效数据，上位机过滤无效数据的方法，解决数据采集与传输的异步问题；从而摆脱传统对下位机的命令控制方式，避免因通讯连接中断、下位机断电死机等异常等引起的整个***的崩溃，实现了架构简单、使用简便，高通用性、强可靠性的生物电信号采集方法。
串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）是一种同步外设接口，它可以使单片机与各种***设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI接口是一种全双工三线同步串行***接口，采用主从模式（Master—Slave）架构，支持一个或多个Slave设备，其通讯协议简单实用，性能优异。目前市面上绝大多数的单片机（微控制器，MCU）都同时集成了模数转换模块（Analog-to-Digital Converter，ADC）和SPI接口，因此若想仅用一片MCU同时完成信号的模数转换和传输，基于SPI接口的通讯方式无疑是最佳的选择。
SPI通讯协议遵循主从模式，从物理层分析，SPI通讯共需要使用4条线：3条总线和1条片选，3条总线分别是SCK、MOSI和MISO，片选线为SS(低电平有效)。在本发明中，上位机工作在主机模式，单片机工作在从机模式，因此通讯的启动由上位机发起，这符合上位机调用驱动程序启动数据传输的需求。在同一个时钟脉冲内，总线MOSI上传输的是主机给从机的信号，总线MISO上传输的是从机给主机的信号。当SCK线上经过8个或16个脉冲后，主机即完成向从机完成一个数据字（字长为8位或16位）的传输，同步地，从机也完成向主机传输了一个数据字。因此从协议层分析，SPI通讯协议实现的是主机和从机同步数据交换的功能，而交换数据的多少是由主机决定的。即主机想要从从机获取多少长度的数据，只要发送给从机多少长度的数据就可以。
如前所述，单片机工作在SPI传输的从机模式，它不能控制数据传输的启停，只能控制数据采集的启停，所以说对数据采集与传输是异步的。单片机上电后，即开始对模拟信号进行模数转换，并将转换后的数据存储到数据缓冲区，当缓存区存满后便自动停止模数转换。对上位机而言，它也并不清楚单片机数据的采集的启停状态以及已经采集的数据长度等信息。传统的解决方案通过指令让上位机获取单片机的工作状态甚至控制单片机工作的启停，但这也导致控制机制变得相对复杂，大大增加了用户在编程调用时的复杂程度，让可靠性大大降低。
本发明的解决方案是：当上位机需要获取数据时，只需直接启动数据的传输，且数据长度可由用户设置，而启动数据传输时并不需要关心单片机的工作状态。对于数据采集而言，单片机的工作是实时监测缓存区是否有剩余空间，若有则启动模数转换功能，并将数据保存到缓冲区；若缓存区写满了，则停止模数转换功能。对于数据传输而言，当单片机收到数据传输请求后，判断数据缓存区是否有转换好的数据，如有则从数据缓存区移出数据并传送给上位机；若没有则传输一个事先约定的无效数据发送给上位机。当数据从缓存区中被移出后，单片机会监测到缓冲区有剩余空间，若此时模数转换功能是停止的，则单片机会重新启动模数转换功能，直至缓冲区被再次写满。单片机主程序的流程图如图3所示。单片机SPI传输中断响应程序流程图如图4所示。而对于上位机，只需将读取的数据再做一次过滤，除去无效数据后，即可获得有效的数据了。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明有效地解决了数据采集与通讯的异步问题。上位机不用考虑单片机的工作状态，无需对单片机发出任何控制指令，在任何时刻直接启动数据传输即可获取数据，大大增加了***的易用性。
2、本发明将单片机中数据采集和数据通讯功能从逻辑上区分开来，简化了单片机编程的逻辑，使得整个***易于维护且更加稳定可靠。
3、通过配合恰当的采样频率、缓冲区大小以及数据传输的时间间隔，本发明可以实现信号的循环动态采集。
4、对于更高频率的信号采集，只需简单地升级单片机的硬件性能即可实现，而无需修改整个***框架及处理逻辑，易于扩展。
5、该***结构简单、使用方便、数据格式统一、价格低廉。
附图说明
图1 为本发明的功能模块结构框图。
图2 为本发明应用实例示意图。
图3为本发明实现的单片机主程序流程图。
图4 为本发明实现的单片机SPI传输中断响应服务程序流程图。
图5为上位机数据过滤处理示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，对本发明的实现方式进行详细描述。
本发明所述生物电信号采集方法是基于串行外设接口（SPI）传输的生物电信号采集***而实现的。该生物电信号采集***包括：依次电连接的采样电极、前置放大单元、光耦隔离单元、单片机，以及为各元器件供电的电源模块；所述单片机具有模数转换模块和SPI接口，并通过SPI接口和接口转换模块连接上位机；其中，前置放大单元完成对信号的放大和电平的抬升；光耦隔离单元完成对信号的隔离传输；单片机单元完成对信号的模数转换以及通过SPI接口的数据传输；接口转换模块单元完成将SPI通讯协议转换为USB通讯协议，使得单片机能通过USB接口与上位机完成通讯；电源模块单元负责所有单元工作的能量提供。其主要结构框图如图1所示。
主要元器件的应用示例如下：
（1）前置放大单元：本实施例中，选用低功耗高精度仪器放大器 INA128 作为前置放大单元的核心元件。INA128的失调电压低至50μV，共模抑制比高达120dB，内部采用3运放差分放大电路设计，是一种理想的前置放大器。
（2）光耦隔离单元：本实施例中，选用高线性度模拟光耦HCNR200作为信号的隔离的核心元件。其具有稳定性好、线性度高和低成本等特性。HCNR200非线性度仅为0.01%，传递增益为±15%，频率带宽达0~1MHz。运用其手册上给出的高精度模拟信号隔离放大电路，通过在***接两个高精密运放LT1097，可实现了增益为1的信号隔离电路。
（3）单片机：该单元的功能是完成信号的模数转换以及实现与上位机的通讯。理论上只要同时具有ADC模块和SPI接口的单片机都可以完成。本实施例中，使用宏晶科技的STC15W4K32S单片机来实现。该处理器基于8051架构，自带8通道12位模数转换模块及SPI接口，自带4K字节大容量SDRAM，具有宽电压输入、抗干扰能力强，成本低廉等特点。本发明基于该单片机实现了对输入的模拟信号的模数转换和与上位机对数据的实时传输。
（4）电源模块：该模块的功能是为上述各个模块提供电源支持。本发明中***要求有直流12V的电源输入，而关键问题是需要电压隔离以符合安全性的需求。本实施例中，采用ARTESYN ASA01B12-M DC-DC电源模块作为核心器件，其隔离电压达4000Vac，符合医用安全认证，配合7805等电压转换芯片及滤波电容等，即构成整个电源模块单元。
（5）接口转换模块：在本实施例中，使用微芯公司的MCP2210芯片作为该单元的核心元件。该芯片为带 GPIO 的 USB-SPI 协议转换器，支持全速USB协议，使用标准HID驱动程序，可兼容WindowsXP及以上、Linux、MaxOS等操作***，是一款易用性很强的USB-SPI 通信芯片。通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口是目前使用最广泛的串行通讯接口之一，绝大多数的上位机都支持该接口。因此通过接口转换模块将SPI通讯转换为USB通讯，以使得本***能支持大多数的上位机使用。
图2所示为使用本发明实现对人体手部的表面肌电信号完成信号的采集及传输的示意图。采样电极引入的肌电信号经过前置放大单元和光耦隔离单元后，接入单片机模拟信号输入引脚。因为表面肌电信号的频率范围在10-500Hz之间，因此单片机程序利用内部定时器将采样频率固定为2KHz。因为模数转换的精度为12位，因此每次转换的结果需要2个字节（8位/字节）保存。在单片机内部存储器开辟4000字节存储区作为采样数据的缓存区。计算可得，如果没有启动数据传输时，单片机启动模数转换1秒后，数据缓存区将被写满。可见，在连续采样时，上位机每次启动数据传输的时间间隔不能大于1秒。在实际应用测试中，上位机每次数据传输的间隔小于500ms。如果假定数据传输的时间间隔为500ms，那么期间将产出2000字节左右的有效数据，上位机将每次传输的数据长度设为2400字节，以便尽可能地将已有的有效数据全部读取回来，确保在下一次数据传输前，单片机不发生缓存区写满的情况，以确保数据采样的连续性。上位机在一次读取2400字节后，只需将读取的数据再做一次过滤，除去无效数据后，即可获得有效的数据。
具体而言，基于串行外设接口传输的生物电信号采集方法，包括以下内容：
（1）采样电极获取的生物电信号经过前置放大单元和光耦隔离单元，接入单片机模拟信号输入引脚；单片机通过USB-SPI 接口转换模块将SPI端口转换成USB端口与上位机相连。
（2）单片机上电即开始运行，运行过程中设置SPI传输中断允许，并循环检测数据缓存区是否被写满；若未被写满，则启动定时器开启ADC模块进行模数转换，并将转换后的值保存至数据缓存区；
（3）上位机根据用户需求，调用USB-SPI 接口转换模块提供的驱动程序，启动基于SPI通讯协议的数据传输；在数据传输过程中，上位机作为主机，单片机作为从机。
（4）单片机在收到SPI通讯中断请求后，中断响应程序判断将数据缓存区是否有有效数据。若有则将有效数据移出后传送给上位机；若没有则将一个事先约定的无效数据传送给上位机，本实例中将无效数据定义为0xFFFF。中断响应结束后，继续回到主程序判断是否需要启动模数转换。
（5）上位机在收到单片机传回的数据后，逐一判断数据的有效性，并过滤掉无效数据，从而获得有效数据。上位机数据过滤处理示意图如图5所示。图中，12位有效数据范围：0x0000～0x0FFF。
通过上述实施例可以看到：本发明通过对模拟电信号模数转后的无效数据的利用，解决了数据采集和数据传输的异步问题。上位机只需增加数据过滤处理步骤即可大大简化数据采集的方式，避免因单片机异常引起的整个调用***的崩溃，从而大大增加了整个***的可靠性。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干具体实施例子。显然，本发明不限于以上实施例子，还可以有许多变形。例如，本发明的应用领域不仅仅局限于生物电信号，任何频率低于端口通讯频率，且满足***中元器件技术要求的电信号都可以适用。另外不同的采样频率，不同的模数转换的数据宽度和精度完全可以简单地通过更换相应的硬件实现。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于串行外设接口传输协议的生物电信号采集方法，其特征在于，该方法是基于生物电信号采集***而实现的；
所述生物电信号采集***包括：依次电连接的采样电极、前置放大单元、光耦隔离单元、单片机，以及为各元器件供电的电源模块；所述单片机具有模数转换模块和SPI接口，并通过SPI接口和接口转换模块连接上位机；其中，前置放大单元用于放大信号和抬升电平；光耦隔离单元用于对信号进行隔离传输；单片机用于对信号进行模数转换和通过SPI接口传输数据；接口转换模块单元用于将SPI通讯协议转换为USB通讯协议，使得***能通过USB接口与上位机通讯；电源模块单元用于为各元器件供电；所述单片机是指微控制器MCU；
所述生物电信号采集方法是利用接口转换模块将SPI通讯协议转换为USB通讯协议，上位机工作在主机模式，生物电信号采集***中的单片机工作在从机模式；单片机对采集到的生物电信号进行模数转换，存储至数据缓存区；上位机调用驱动程序启动数据传输的需求，单片机在收到请求后判断数据缓存区是否存在有效数据；若有则将有效数据传送给上位机，若没有则将约定格式的无效数据传送给上位机；数据传输请求结束后，单片机重新继续进行模数转换操作；上位机对读取到的数据进行过滤，除去无效数据后即获得有效数据；无效数据定义为0xFFFF，12位有效数据范围为0x0000～0x0FFF；
单片机从数据缓存区移出有效数据并传送给上位机，以腾出存储空间；通过对单片机的采样频率、缓存区大小以及数据传输的时间间隔进行合理配置，实现生物电信号的循环动态采集；
该方法具体包括：
（1）采样电极获取的生物电信号经过前置放大单元和光耦隔离单元后，接入单片机模拟信号输入引脚；
（2）单片机在运行过程中设置SPI传输中断允许，并循环检测数据缓存区是否被写满；若未被写满，则启动定时器开启模数转换模块进行模数转换，并将转换后的值保存至数据缓存区；
（3）上位机根据用户需求，调用接口转换模块提供的驱动程序，启动基于SPI通讯协议的数据传输；此时，上位机作为SPI传输主机，单片机作为SPI传输从机；
（4）单片机在收到SPI通讯中断请求后，中断响应程序判断将数据缓存区是否有有效数据；若有则将有效数据移出后传送给上位机，若没有则将一个事先约定的无效数据传送给上位机；中断响应结束后回到单片机的主程序，继续判断是否需要启动模数转换；
（5）上位机在收到单片机传送的数据后，逐一判断其有效性，过滤掉无效数据后获得有效数据。
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2020
- 2020-11-04 CN CN202011213531.0A patent/CN112306942B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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