心电信号的采集与处理.docx
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心电信号的采集与处理
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、对心电信号进行滤波、分析处理。
设计要求：
1双线性变换法设计一个butterworthＩＩＲ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１dB;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,-4,8,12,12,10,6,6,6,4,0,0,0,0,0,-2,...
-4,0,0,0,-2,-2,0,0,-2,-2,-2,-2,0];
S
3．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
课程设计任务书
4．主要参考文献：
●要求按国标GB7714—87《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
1、基于PCI总线A/D卡的报告
（1）基于PCI总线的基本结构
1．PCI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PeripheralComponentInterconnect（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5～6个PCI插槽，而小一点的MATX主板也都带有2～3个PCI插槽，可见其应用的广泛性。
PCI总线是一种不依附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
2．PCI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，Target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Master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PCIExpress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（PlugandPlay）、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32bit@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，其英文全称为：
PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup（外围部件互连专业组），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133MB／s，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（PeripheralComponentInterconnect）总线是一种高性能局部总线，是为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。
PCI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
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，Wn]＝buttord（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，A]＝zp2tf（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,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）
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]=bilinear（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,-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
figure
（1）,plot（W*Fs/（2*pi）,abs（H））,grid,xlabel（'频率／Hz'）,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,-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
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）.2006,6
2丁玉美.数字信号处理（第二版）.西安电子科技大学出版社，2001
3吴大正.信号与线性系统分析（第四版）.高等教育出版社，2005,8
4谢嘉奎.电子线路--线性部分（第四版）.高等教育出版社，2003,2
5陈后金.信号分析与处理实验.高等教育出版社，2006，8
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