Windows环境下的生物电信号的提取
作者：沈永林 蒋珂 陈文晖 梁毓厚
单位：清华大学 电机系 (北京 100084)
关键词：生物电信号；Windows；采集；滤波
北京生物医学工程990203 摘 要 本文对在Windows下采集生物电信号进行了讨论，针对不同的采集卡、不同的采样率，采用不同的方法，并且采用一种滤波算法，快速而有效地消除工频干扰和基线漂移，以确保噪声背景下弱信号的提取。
Acquisition of Biomedical Electronic Signal
on Window's Environment
Shen Yonglin, Jiang Ke, Chen Wenhui, Liang Yuhou
, 百拇医药
(Tsinghua University, Beijing 100084)
Abstract
The paper discusses the methods for acquisition of biomedical electronic signal on Windows' platform. Different method is accepted depending on different A/D cards with different sampling rate. A filter is led for erasing the disturbance of power and zero drift quickly and effectively.
Key words:Biomedical electronic signal; Windows; Acquisition; Filter
, 百拇医药
0 前 言
人体的物生电信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号。由于人体多种生物电信号和各种噪声的交织，以及测量系统本身的影响，使得人体生物电信号的测量成了难度较高的技术。
现在，人体生物电信号的提取和处理技术已经被广泛地接受。在DOS环境下，利用中断或查询程序实现生物电信号的提取，对进行开发研制的技术人员来说，只是编制一个规范的例行程序，并不复杂。
功能强大的Windows系统的出台，很快占领了微机操作系统的市场。越来越多的开发研制人员转向Windows环境下进行开发。由于Windows系统完全接管了计算机内各种软件、硬件资源的管理，不允许程序员越过Windows系统直接使用硬件资源。这样用户在Windows系统实时使用自制的硬件，就很棘手。这使不少用户在Windows系统下使用硬件望而却步。
这里，结合我们的科研开发，谈谈在Windows环境下提取生物电信号的有关问题。
, 百拇医药
1 普通A/D卡的信号采集
普通A/D卡，本身没有处理器，一般也没有定时器。它的采样及采样率的控制由计算机来执行。不同的采样率，可以分别采用不同的方法来实现。
1.1 Windows提供的定时器函数
Windows提供的定时器函数SetTimer，它能够设置一个定时器，按照设定的频率，重复产生定时器消息WM-TIMER。程序每接到此消息便可转入采样服务程序进行采样。
该定时器周期设置最小为55ms，利用它进行采样，其最高采样率为18.2Hz。另外，由于消息按队列处理，定时器消息的实时性显然不严格。因此，定时器函数适用于低采样率，且实时性要求不严格的情况。
1.2 PC系统定时器
, http://www.100md.com Windows应用程序应该通过Windows系统提供的设备驱动程序来管理和使用I/O设备，不然，无法保证程序正常工作。在《未公开的Windows核心技术》中提到，Windows提供了设备驱动程序SYSTEM.DRV来管理8253的异步时钟[1]。与其有关的函数主要有：
①CreateSystemTimer 用于设置中断周期和中断回调函数，其功能类似于DOS下定时器编程时计数器初值的设定和中断向量表的修改。
②KillSystemTimer 取消定时器工作，其功能类似DOS编程的恢复现场。
通过SYSTEM.DRV驱动程序，系统时钟采用定时中断方式，犹如DOS环境下的INT 8定时器中断，避开了Windows的消息队列处理方式，从而解决了实时问题。但是，系统时钟的定时频率只有18.2Hz，太低。若要提高采样频率，可以直接对定时器I/O口编程，修改8253计数器初值，这样就可以改变定时器中断频率。这种办法是可行的。我们利用它进行采样，达到了预期的目的。
, 百拇医药
但这种越过Windows系统直接操作定时器的做法并非总是可行的。在较低的中断频率下，系统完全能够正常工作，但若继续提高中断频率，系统工作就会发生异常，以致破坏Windows内核，导致系统崩溃。
1.3 实时钟中断
PC/AT机以上机型及其兼容机上，都设立了实时钟，由专用电路产生年、月、日、时、分、秒等的时钟信息，也产生定时中断请求，送到中断控制器8259A中，Windows通过多媒体应用程序接口(MultiMedia API)来管理实时钟电路。其中主要函数有：
①timeSetEvent 它设置一个定时器回调事件和定时频率，一旦事件被激活，回调函数将按设定的定时频率周期性地被调用。
②timeKillEvent 它清除已设定的定时器，即恢复现场。
, http://www.100md.com Windows提供的多媒体定时器，通过中断方式管理实时钟电路，缺省状态下最高中断频率可达1kHz。利用实时钟中断作为采样中断，定时准确，定时频率高，而且系统运行安全可靠。
2 单片机控制的A/D卡的信号采集
信号采集时，显示器屏幕上需要同时显示采集的信号的波形，以监视信号，确保高质量的采集数据。当由于某种因素造成信号异常时，可以舍弃已采集的数据，重新采集，避免因数据质量差而形成的无效采集。
在单任务运行的DOS环境中，采集与显示并行工作并不困难。但在Windows多任务环境下，实时采集数据、显示采集数据的曲线以及同时运行多任务之间，存在一定的矛盾。当采样率较高时，CPU来不及同时处理采集、显示及其它任务，实时就成了问题。为了减轻CPU的负担，并保证信号采集的实时性，可以采用多处理器方案，A/D卡由单片机控制，其他任务由CPU完成。这样可以较好地解决多任务环境下，采集、显示和多任务运行的矛盾。
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主机和从机通常这样分工：主机向单片机发送命令来控制单片机启动、终止信号采集和数据传输。单片机通过定时器启动A/D转换，读取数据，当采得的数据需要传送时，向主机发出中断请求。主机在中断处理程序中，完成从单片机接受数据，存入数据缓冲区。
具体编程时，可以采用C语言内嵌汇编语言程序来实现，中断调用通过DOS及Windows未公开的中断INT 31H及函数来实现。
3 信号的预处理
生物电信号采集过程中，不可避免地混杂各种干扰，其中主要是工频干扰和基线漂移。除了在硬件电路中设置模拟滤波器及抑制漂移电路外，还通过软件，即利用计算机技术和数字信号处理方法，对采得的信号进行预处理来滤除干扰，以便对信号正确地进行分析。
滤除工频干扰和基线漂移一般使用线性相位的数字滤波器[2]。滤除频率极低的基线漂移时，此法的计算点数相当多，实时性差。使用简单整系数IIR线性相位滤波器可以显著地减少计算量，用一般台式机便可实现。由于滤除基线漂移需要运算大量的点，ALSTE提出利用频谱重复特性减少运算点数的一种方法，但是用FIR滤波器的运算点数还是比较多[3]。
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在心电信号的预处理中，我们综合了几种方案的优点，采用了一种可同时滤除心电中基线漂移和交流干扰的简单算法，有效地滤除工频干扰和基线漂移，运算量少，处理速度快，很实用。该滤波器的频域表达式为：
该滤波器还有一个特点：不论系统采样率如何，只要是50Hz的整数倍，则滤波器每输出一点计算量相同，表达式不变，仅改变采样率与50Hz的比率，计算量也很小。因此，该滤波器具有一定的通用性。
为滤除高频干扰，采用如下IIR整系数数字低通滤波器，其截止频率为100Hz：
4 实 例
我们自行设计制作了单片机控制的A/D采集卡，在Windows环境下，对多种生物电信号进行采集，结果令人满意。图1是标准十二导信号同步采集的窗口。
图1 同步采集十二号信号的采样窗口
参考文献
1 Schulman A. 全正译.未公开的Windows核心技术.清华大学出版社，1993
2 赵捷，华枚.一种滤除ECG基线漂移和交流干扰的简单算法.中国医疗器械杂志，1991，15(5)：262
3 宗孔德，胡广书.数字信号处理.清华大学出版社，1998
(1998-07-10收稿), 百拇医药
单位：清华大学 电机系 (北京 100084)
关键词：生物电信号；Windows；采集；滤波
北京生物医学工程990203 摘 要 本文对在Windows下采集生物电信号进行了讨论，针对不同的采集卡、不同的采样率，采用不同的方法，并且采用一种滤波算法，快速而有效地消除工频干扰和基线漂移，以确保噪声背景下弱信号的提取。
Acquisition of Biomedical Electronic Signal
on Window's Environment
Shen Yonglin, Jiang Ke, Chen Wenhui, Liang Yuhou
, 百拇医药
(Tsinghua University, Beijing 100084)
Abstract
The paper discusses the methods for acquisition of biomedical electronic signal on Windows' platform. Different method is accepted depending on different A/D cards with different sampling rate. A filter is led for erasing the disturbance of power and zero drift quickly and effectively.
Key words:Biomedical electronic signal; Windows; Acquisition; Filter
, 百拇医药
0 前 言
人体的物生电信号多属于强噪声背景下的低频的弱信号。由于人体多种生物电信号和各种噪声的交织，以及测量系统本身的影响，使得人体生物电信号的测量成了难度较高的技术。
现在，人体生物电信号的提取和处理技术已经被广泛地接受。在DOS环境下，利用中断或查询程序实现生物电信号的提取，对进行开发研制的技术人员来说，只是编制一个规范的例行程序，并不复杂。
功能强大的Windows系统的出台，很快占领了微机操作系统的市场。越来越多的开发研制人员转向Windows环境下进行开发。由于Windows系统完全接管了计算机内各种软件、硬件资源的管理，不允许程序员越过Windows系统直接使用硬件资源。这样用户在Windows系统实时使用自制的硬件，就很棘手。这使不少用户在Windows系统下使用硬件望而却步。
这里，结合我们的科研开发，谈谈在Windows环境下提取生物电信号的有关问题。
, 百拇医药
1 普通A/D卡的信号采集
普通A/D卡，本身没有处理器，一般也没有定时器。它的采样及采样率的控制由计算机来执行。不同的采样率，可以分别采用不同的方法来实现。
1.1 Windows提供的定时器函数
Windows提供的定时器函数SetTimer，它能够设置一个定时器，按照设定的频率，重复产生定时器消息WM-TIMER。程序每接到此消息便可转入采样服务程序进行采样。
该定时器周期设置最小为55ms，利用它进行采样，其最高采样率为18.2Hz。另外，由于消息按队列处理，定时器消息的实时性显然不严格。因此，定时器函数适用于低采样率，且实时性要求不严格的情况。
1.2 PC系统定时器
, http://www.100md.com Windows应用程序应该通过Windows系统提供的设备驱动程序来管理和使用I/O设备，不然，无法保证程序正常工作。在《未公开的Windows核心技术》中提到，Windows提供了设备驱动程序SYSTEM.DRV来管理8253的异步时钟[1]。与其有关的函数主要有：
①CreateSystemTimer 用于设置中断周期和中断回调函数，其功能类似于DOS下定时器编程时计数器初值的设定和中断向量表的修改。
②KillSystemTimer 取消定时器工作，其功能类似DOS编程的恢复现场。
通过SYSTEM.DRV驱动程序，系统时钟采用定时中断方式，犹如DOS环境下的INT 8定时器中断，避开了Windows的消息队列处理方式，从而解决了实时问题。但是，系统时钟的定时频率只有18.2Hz，太低。若要提高采样频率，可以直接对定时器I/O口编程，修改8253计数器初值，这样就可以改变定时器中断频率。这种办法是可行的。我们利用它进行采样，达到了预期的目的。
, 百拇医药
但这种越过Windows系统直接操作定时器的做法并非总是可行的。在较低的中断频率下，系统完全能够正常工作，但若继续提高中断频率，系统工作就会发生异常，以致破坏Windows内核，导致系统崩溃。
1.3 实时钟中断
PC/AT机以上机型及其兼容机上，都设立了实时钟，由专用电路产生年、月、日、时、分、秒等的时钟信息，也产生定时中断请求，送到中断控制器8259A中，Windows通过多媒体应用程序接口(MultiMedia API)来管理实时钟电路。其中主要函数有：
①timeSetEvent 它设置一个定时器回调事件和定时频率，一旦事件被激活，回调函数将按设定的定时频率周期性地被调用。
②timeKillEvent 它清除已设定的定时器，即恢复现场。
, http://www.100md.com Windows提供的多媒体定时器，通过中断方式管理实时钟电路，缺省状态下最高中断频率可达1kHz。利用实时钟中断作为采样中断，定时准确，定时频率高，而且系统运行安全可靠。
2 单片机控制的A/D卡的信号采集
信号采集时，显示器屏幕上需要同时显示采集的信号的波形，以监视信号，确保高质量的采集数据。当由于某种因素造成信号异常时，可以舍弃已采集的数据，重新采集，避免因数据质量差而形成的无效采集。
在单任务运行的DOS环境中，采集与显示并行工作并不困难。但在Windows多任务环境下，实时采集数据、显示采集数据的曲线以及同时运行多任务之间，存在一定的矛盾。当采样率较高时，CPU来不及同时处理采集、显示及其它任务，实时就成了问题。为了减轻CPU的负担，并保证信号采集的实时性，可以采用多处理器方案，A/D卡由单片机控制，其他任务由CPU完成。这样可以较好地解决多任务环境下，采集、显示和多任务运行的矛盾。
, http://www.100md.com
主机和从机通常这样分工：主机向单片机发送命令来控制单片机启动、终止信号采集和数据传输。单片机通过定时器启动A/D转换，读取数据，当采得的数据需要传送时，向主机发出中断请求。主机在中断处理程序中，完成从单片机接受数据，存入数据缓冲区。
具体编程时，可以采用C语言内嵌汇编语言程序来实现，中断调用通过DOS及Windows未公开的中断INT 31H及函数来实现。
3 信号的预处理
生物电信号采集过程中，不可避免地混杂各种干扰，其中主要是工频干扰和基线漂移。除了在硬件电路中设置模拟滤波器及抑制漂移电路外，还通过软件，即利用计算机技术和数字信号处理方法，对采得的信号进行预处理来滤除干扰，以便对信号正确地进行分析。
滤除工频干扰和基线漂移一般使用线性相位的数字滤波器[2]。滤除频率极低的基线漂移时，此法的计算点数相当多，实时性差。使用简单整系数IIR线性相位滤波器可以显著地减少计算量，用一般台式机便可实现。由于滤除基线漂移需要运算大量的点，ALSTE提出利用频谱重复特性减少运算点数的一种方法，但是用FIR滤波器的运算点数还是比较多[3]。
, http://www.100md.com
在心电信号的预处理中，我们综合了几种方案的优点，采用了一种可同时滤除心电中基线漂移和交流干扰的简单算法，有效地滤除工频干扰和基线漂移，运算量少，处理速度快，很实用。该滤波器的频域表达式为：
该滤波器还有一个特点：不论系统采样率如何，只要是50Hz的整数倍，则滤波器每输出一点计算量相同，表达式不变，仅改变采样率与50Hz的比率，计算量也很小。因此，该滤波器具有一定的通用性。
为滤除高频干扰，采用如下IIR整系数数字低通滤波器，其截止频率为100Hz：
4 实 例
我们自行设计制作了单片机控制的A/D采集卡，在Windows环境下，对多种生物电信号进行采集，结果令人满意。图1是标准十二导信号同步采集的窗口。
图1 同步采集十二号信号的采样窗口
参考文献
1 Schulman A. 全正译.未公开的Windows核心技术.清华大学出版社，1993
2 赵捷，华枚.一种滤除ECG基线漂移和交流干扰的简单算法.中国医疗器械杂志，1991，15(5)：262
3 宗孔德，胡广书.数字信号处理.清华大学出版社，1998
(1998-07-10收稿), 百拇医药