心电信号的采集与处理.doc

1、中北大学信息商务学院课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 苏慧敏 学 号： 1305034211 学生姓名： 王晓腾 学 号： 1305034217 学生姓名： 李康 学 号： 1305034243 学 院： 中北大学信息商务学院 专 业： 电子信息工程 题 目： 心电信号的采集与处理 指导教师： 王浩全 职称: 教授 2016 年 6 月 9 日中北大学信息商务学院课程设计任务书2015-2016 学年第 二 学期学 院： 中北大学信息商务学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名 ： 苏慧敏 学 号： 1305034211 学生姓名 ： 王晓腾 学 号： 1305034217 学生姓名 ： 李

2、 康 学 号： 1305034243 课程设计题目： 心电信号的采集与处理 起 迄 日 期 ： 2016 年 6 月 13 日2016 年 7 月 1 日 课程设计地点： 系专业实验室 指 导 教 师 ： 王浩全 系 主 任： 王浩全 下达任务书日期: 2016 年 6 月 9 日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：掌握信号的采集、存储和处理方法2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1、掌握 PCI 总线的基本结构，了解基于 PCI 总线 A/D 卡的通用结构。写出关于基于 PCI 总线发展趋势的报告。2、通过 A/D 卡，编写检测信号的采集、存储程序。3、对心电信号

3、进行滤波、分析处理。设计要求：1 双线性变换法设计一个 butterworth滤波器。设计指标参数为：通带内频率低于 0.2 时，最大衰减小于dB;阻带内 0.3 , 频率 区间上，最小衰减大于 15dB； 2 为采样间隔，打印出数字滤波器在频率区间 上的频率响应曲线。3 用所设计的滤波器对实际心电图信号采样序列进行仿真滤波处理，滤除其中的高频干扰。观察总结滤波作用与效果4 已知心电图数字信号序列如下：x=-4,-2,0,-4,-6,-4,-2,-4,-6,-6,-4,-4,-6,-6,-2,6,12,8,0,-16,-38,.-60,-84,-90,-66,-32,-4,-2,-4,8,12

4、,12,10,6,6,6,4,0,0,0,0,0,-2,.-4,0,0,0,-2,-2,0,0,-2,-2,-2,-2,0;S3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文) 、图纸、实物样品等：程序演示、毕业设计说明书一份0,20.课 程 设 计 任 务 书4主要参考文献： 要求按国标 GB 771487文后参考文献著录规则书写，例：1 傅承义，陈运泰，祁贵中.地球物理学基础.北京：科学出版社，1985（5 篇以上）5设计成果形式及要求：程序6工作计划及进度：2016 年 6 月 13 日 2016 年 6 月 20 日：查资料，写 PCI 总线的发展现状2016 年 6 月 21

5、 日 2016 年 6 月 29 日：对检测信号进行分析处理2016 年 6 月 30 日 2016 年 7 月 1 日：完成课程设计说明书系主任审查意见：签字： 年 月 日设计说明书应包括以下主要内容：（1）封面：课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间（2）设计任务书（3）目录（4）设计方案简介（5）设计条件及主要参数表（6）设计主要参数计算（7）设计结果（8）设计评述,设计者对本设计的评述及通过设计的收获体会（9）参考文献中北大学信息商务学院 2016 信息处理综合实践目录一、 基于 PCI 总线 A/D 卡的报告 1（一） 基于 PCI 总线的基本结构 .11 PCI 总线 12 PC

6、I 总线的基本含义 1（二） 基于 PCI 的 A/D 卡的通用结构 2（三） 基于 PCI 总线发展趋势 .2（四） PCI 总线的特点： 3二、 设计方案简介 .3三、 设计条件及主要参数表 .4四、 设计结果 .6五、 设计评述 .7六、 参考文献 .7中北大学信息商务学院 2016 信息处理综合实践第 0 页1、基于 PCI 总线 A/D 卡的报告（1 ） 基于 PCI 总线的基本结构1PCI 总线PCI 是由 Intel 公司 1991 年推出的一种局部总线。从结构上看，PCI 是在 CPU 和原来的系统总线之间插入的一级总线，具体由一个桥接电路实现对这一层的管理，并实现上下之间的接

7、口以协调数据的传送。管理器提供了信号缓冲，使之能支持 10 种外设，并能在高时钟频率下保持高性能，它为显卡、声卡、网卡、MODEM 等设备提供了连接接口，它的工作频率为 33MHz/66MHz。PCI 是 Peripheral Component Interconnect(外设部件互连标准）的缩写，它是目前个人电脑中使用最为广泛的接口，几乎所有的主板产品上都带有这种插槽。PCI 插槽也是主板带有最多数量的插槽类型，在目前流行的台式机主板上，ATX 结构的主板一般带有 56 个 PCI 插槽，而小一点的 MATX 主板也都带有 23 个 PCI 插槽，可见其应用的广泛性。PCI 总线是一种不依附

8、于某个具体处理器的局部总线。管理器提供了信号缓冲，使之能支持 10 种外设，并能在高时钟频率下保持高性能。PCI 总线也支持总线主控技术，允许智能设备在需要时取得总线控制权，以加速数据传送。图 1.1 典型的 PCI 系统总线构成 2PCI 总线的基本含义不同于 ISA 总线，PCI 总线的 地址总线与数据总线是分时复用的。这样做的好处中北大学信息商务学院 2016 信息处理综合实践第 1 页是，一方面可以节省接插件的管脚数，另一方面便于实现突发数据传输。在做数据传输时，由一个 PCI 设备做发起者（主控， Initiator 或 Master），而另一个 PCI 设备做目标（从设备，Targ

9、et 或 Slave）。总线上的所有时序的产生与控制，都由 Master 来发起。PCI 总线在同一时刻只能供一对设备完成传输，这就要求有一个仲裁机构（Arbiter），来决定在谁有权力拿到总线的主控权。当 PCI 总线进行操作时，发起者（Master）先置 REQ#，当得到仲裁器（Arbiter）的许可时（GNT#），会将 FRAME#置低，并在 AD 总线上放置 Slave 地址，同时C/BE#放置命令信号，说明接下来的传输类型。所有 PCI 总线上设备都需对此地址译码，被选中的设备要置 DEVSEL#以声明自己被选中。然后当 IRDY#与 TRDY#都置低时，可以传输数据。当 Maste

10、r 数据传输结束前，将 FRAME#置高以标明只剩最后一组数据要传输，并在传完数据后放开 IRDY#以释放总线控制权。（2 ） 基于 PCI 的 A/D 卡的通用结构信号连接器有通道信号，PCI 总线接口，外触发，多卡扩展同步接口等 4 种，以下分别介绍。通道信号接口：位于采集卡的尾部，信号用同轴电缆接入。一张采集卡最多只有4 个通道，也可能少于 4 个通道，视用户的需求而定。PCI 总线接口：采集卡与上位 PC 机的数据和控制信号通信接口。其采用 32 位PCI 总线。外触发接口：用于接外触发信号用。多卡扩展同步接口：用于多卡扩展。其传输的信号包括主卡的同步时钟源、触发以及状态信号。一般用

11、16 针带缆连接。（3 ） 基于 PCI 总线发展趋势从 1992 年创立规范到如今，PCI 总线已成为了计算机的一种标准总线。由 PCI 总线构成的标准系统结构如图一所示。 PCI 总线取代了早先的 ISA 总线。当然与在 PCI 总线后面出现专门用于显卡的 AGP 总线，与现在 PCI Express 总线，但是 PCI 能从 1992 用到现在，说明他有许多优点，比如即插即用(Plug and Play)、中断共享等。在这里我们对 PCI 总线做一个深入的介绍。 从数据宽度上看，PCI 总线有 32bit、64bit 之分；从总线速度上分，有33MHz、66MHz 两种。目前流行的是 3

12、2bit 33MHz，而 64bit 系统正在普及中。改良的 PCI 系统， PCI-X，最高可以达到 64bit 133MHz，这样就可以得到超过1GB/s 的数据传输速率。如果没有特殊说明，以下的讨论以 32bit 33MHz 为例。1991 年下半年， Intel 公司首先提出了 PCI 的概念，并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等 100 多家公司成立了 PCI 集团，其英文全称中北大学信息商务学院 2016 信息处理综合实践第 2 页为：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组

13、)，简称 PCISIG。PCI 有 32 位和 64 位两种，32 位 PCI 有 124 引脚，64 位有 188 引脚，目前常用的是 32 位 PCI。32 位 PCI 的数据传输率为 133MBs，大大高于 ISA。PCI 总线的主要性能（1） 支持 10 台外设（2） 总线时钟频率 33.3MHz/66MHz（3） 最大数据传输速率 133MB/s（4） 时钟同步方式（5） 与 CPU 及时钟频率无关（6） 总线宽度 32 位（5V）/64 位（3.3V）（7） 能自动识别外设 PCI （Peripheral Component Interconnect）总线是一种高性能局部总线，是为

14、了满足外设间以及外设与主机间高速数据传输而提出来的。在数字图形、图像和语音处理，以及高速实时数据采集与处理等对数据传输率要求较高的应用中，采用 PCI 总线来进行数据传输，可以解决原有的标准总线数据传输率低带来的瓶颈问题。（4 ） PCI 总线的特点：数据总线 32 位，可扩充到 64 位。可进行突发（burst)式传输。总线操作与处理器-存储器子系统操作并行。总线时钟频率 33MHZ 或 66MHZ，最高传输率可达 528MB/S。中央集中式总线仲裁全自动配置、资源分配、PCI 卡内有设备信息寄存器组为系统提供卡的信息，可实现即插即用（PNP）。PCI 总线规范独立于微处理器，通用性好。PC

15、I 设备可以完全作为主控设备控制总线。PCI 总线引线：高密度接插件，分基本插座（ 32 位）及扩充插座（64 位）。2、设计方案简介双性变换法可以实现从 s 平面到 z 平面的单值映射关系，可以使数字滤波器的频率响应模仿模拟滤波器的频率响应。1.先设计模拟滤波器，再转化数字滤波器 2.将模拟指标转变成数字指标中北大学信息商务学院 2016 信息处理综合实践第 3 页3.选择滤波器的最小阶数 4.创建 butterworth 模拟滤波器5.用双线性变换法实现模拟滤波器到数字滤波器的转换 6.绘制频率响应曲线3、设计条件及主要参数表1、Buttord 巴特沃思模拟滤波器阶数的获得N， Wnbut

16、tord(Wp，Ws，Rp，Rs，s)s表示获取模拟滤波器的阶数Wp 通带截止频率Ws 阻带截止频率Rp 通带最大衰减Rs 阻带最小衰减；N 符合要求的滤波器最小阶数Wn 为 Butterworth 滤波器固有频率 (3dB)。2、buttap 巴特沃思模拟滤波器的设计Z,P,K = BUTTAP(N)N 为阶数，Z 零点，P 极点，K 为增益3、zp2tf 零极点增益模型到传递函数模型的转换B，Azp2tf(Z，P ，K)；输人参数：Z，P，K 分别表示零极点增益模型的零点、极点和增益；输出参数：B，A 分别为传递函数分子和分母的多项式系数。4、Lp2lp 低通到低通b,a=lp2lp(B,

17、A,Wn); B，A 分别为截止频率为 1 的模拟滤波器传递函数分子和分母的多项式系数b，a 分别为截止频率为 Wn 的模拟滤波器传递函数分子和分母的多项式系数，5、Bilinear 双线性变换法设计数字滤波器bz， a2二 bilinear(b，a，Fs)；b，a 分别为模拟滤波器传递函数分子和分母的多项式系数，Fs 是采样频率bz，az 分别为数字滤波器传递函数分子和分母的多项式系数6、Freqz 数字滤波器的频响特性H,W=freqz(bz,az);H 为幅度，W 为相位7、filter 滤波Y = filter(bz,az,X)中北大学信息商务学院 2016 信息处理综合实践第 4 页

18、bz，az 分别为数字滤波器传递函数分子和分母的多项式系数X 为输入信号，Y 为输出信号方法一：%先设计模拟滤波器，再转化数字滤波器 wp=0.2*pi;ws=0.3*pi;Rp=1;Rs=15;Ts=0.02*pi;Fs=1/Ts;wp1=2/Ts*tan(wp/2);%将模拟指标转变成数字指标ws1=2/Ts*tan(ws/2);N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs,s); %选择滤波器的最小阶数 Z,P,K=buttap(N);%创建 butterworth 模拟滤波器Bap,Aap=zp2tf(Z,P,K);b,a=lp2lp(Bap,Aap,Wn); bz,az=bi

19、linear(b,a,Fs);%用双线性变换法实现模拟滤波器到数字滤波器的转换 H,W=freqz(bz,az,50);%绘制频率响应曲线L=length(W)/2+1;figure(1),plot(W(1:L)/pi,abs(H(1:L),grid,xlabel(角频率(pi),ylabel(频率响应幅度);x=-4,-2,0,-4,-6,-4,-2,-4,-6,-6,-4,-4,-6,-6,-2,6,12,8,0,-16,-38,.-60,-84,-90,-66,-32,-4,-2,-4,8,12,12,10,6,6,6,4,0,0,0,0,0,-2,.-4,0,0,0,-2,-2,0,0

20、,-2,-2,-2,-2,0;y=filter(bz,az,x); %滤波figure(2),subplot(2,1,1),plot(x),title(原始信号 );subplot(2,1,2),plot(y),title(滤波后信号 );方法二：%直接设计数字滤波器 wp=0.2*pi;ws=0.3*pi;Rp=1;Rs=15;Ts=0.02*pi;Fs=1/Ts;wp1=0.2; %归一化指标 ws1=0.3;N,Wn=buttord(wp1,ws1,Rp,Rs); %选择滤波器的最小阶数 bz,az=butter(N,Wn); H,W=freqz(bz,az);%绘制频率响应曲线figu

21、re(1),plot(W*Fs/(2*pi),abs(H),grid,xlabel(频率Hz),ylabel(频率响应幅度);中北大学信息商务学院 2016 信息处理综合实践第 5 页x=-4,-2,0,-4,-6,-4,-2,-4,-6,-6,-4,-4,-6,-6,-2,6,12,8,0,-16,-38,.-60,-84,-90,-66,-32,-4,-2,-4,8,12,12,10,6,6,6,4,0,0,0,0,0,-2,.-4,0,0,0,-2,-2,0,0,-2,-2,-2,-2,0;y=filter(bz,az,x); %滤波figure(2),subplot(2,1,1),plot(x),title(原始信号 );subplot(2,1,2),plot(y),title(滤波后信号 );4、设计结果中北大学信息商务学院 2016 信息处理综合实践第 6 页5、设计评述6、参考文献1 北京迪阳正泰科技发展公司.综合通信实验系统信号与系统指导书（第二版）. 2006,62 丁玉美.数字信号处理（第二版）.西安电子科技大学出版社，20013 吴大正. 信号与线性系统分析（第四版）. 高等教育出版社，2005,84 谢嘉奎. 电子线路-线性部分(第四版). 高等教育出版社，2003,25 陈后金. 信号分析与处理实验. 高等教育出版社，2006，8