关于Windows环境下的生物电信号的提取的原因,关于Windows环境下的生物电信号的提取的相关知识。 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
(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
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。
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
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。
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。
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。
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]。
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) (文章出处：北京生物医学工程 1999年第2期第18卷)
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
(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
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。
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
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。
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。
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。
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]。
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) (文章出处：北京生物医学工程 1999年第2期第18卷)