• 采用无线技术降低医疗费用技术

    我国RFID市场规模全球第三 6日在天津发布的《中国RFID与物联网2009年度发展报告》称,中国物联网产业链初步形成,物联网应用逐步推进。统计显示,2009年,中国射频识别技术(RFID)市场规模已达85.1亿元人民币,同比增长29.3%,在全球居第三位,仅次于英国、美国。   中国信息产业商会会长、中国RFID产业联盟理事长张琪说,物联网连接范围远远大于互联网,它扩大连接到物品,实现物物(也包括人)相连,形成一个连接万亿个物品(设备)和数亿人的无比庞大的数据库,采集和存储着物理与虚拟的海量信息,通过分析处理与决策,完成从信息到知识、再到控制指挥的智能演化,实现处理和解决问题的能力。

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  • ZigBee无线传感心电图监视仪技术

    ZigBee无线传感心电图监视仪技术

    ZigBee无线传感心电图监视仪技术 本文设计了基于ZigBee 无线传感网络的家庭远程医疗监护器,通过基于ARM7核的LPC2478提供的集成LCD支持将图像显示出来 ,同时将信号存储在SD卡上,并通过10/100以太网传输给医院,医院反馈信息并将其显示在LCD上,同时社区诊所的协调器网关把诊断结果无线返回给相应的家庭并在家庭LCD上显示出来,用户可以将结果传输到家庭计算机上进行存储。该设计可以方便地构建健康检测网络,不用复杂的操作便可以得到医生的诊断,十分适合家庭用户的使用。   系统实现   该系统中的传感器用来检测心电图的微弱信号,再经过放大滤波等调理之后进行编码,然后通过ZigBee无线模块发送到基于ARM和ZigBee协调器模块的网关,通过外围接口发送到上位机进行显示处理,然后通过以太网传送给社区诊所,诊所再将每个人的信息通过ZigBee无线模块返回给各自的家庭,并在LCD上显示医院反馈的处理信息。通过合理选择芯片能够实现低功耗、低成本,检测微弱的心电图波形变化。   技术特点   1. 利用LPC2478可以实现多种高带宽外设同步操作进行信息处理并实时显示。   2. 采用基于CC2430的ZigBee无线传输,低成本、低功耗、自组网能力强、传输可靠、体积小、易携带。   3. 社区诊所可以存储整个社区业主的诊断结果,可以针对各业主的诊断结果进行必要的提醒、预防,有效降低发病率。   4. 用户可以将诊断结果存储在家庭计算机上,方便备用。   硬件平台   嵌入式无线传感心电图监视仪硬件部分主要包括主控、电源及复位、LCD显示屏、ZigBee协调器、ZigBee路由器、ZigBee端点、传感器及放大滤波调理电路、SD卡存储、10/100以太网等9个功能模块。硬件设计框图如图1所示。   主控模块   该模块采用了基于ARM7TDMI-S内核的LPC2478微控制器,其功能强大、性价比高,含有一个LCD控制器,支持10/100以太网、全速(12Mbps)USB2.0、USB OTG和2个CAN2.0B通道,4个UART,1个SPI接口,2个同步串行接口(SSP),3个I2C和1个I2S接口,带有片上高速512KB的 Flash、98kB的RAM、一个外部存储器接口、10位A/D和D/A转换器、一个内部RC振荡器和一个SD 存储卡接口,从而消除了通信带宽瓶颈,方便扩展USB接口、JTAG调试接口、触摸屏,外扩芯片少,而且采用超小的LQFP208封装,使得仪器的微型化得到了保证,其强大的功能能够满足嵌入式系统mC/OS—II及人性化的人机界面的要求。LPC2478非常适合便携式电子产品应用。   ZigBee模块   在CC2430芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器,其增强的8051MCU核的性能是工业标准8051微控制器内核性能的8倍;具有32/64/128 kB可编程闪存和8 kB的RAM;还含有8输入通道8~14 bit可选的模/数转换器(ADC)、4个定时器;带有2个强大的支持几组协议的USART;较宽的电压范围(2.0~3.6 V);硬件支持CSMA/CA功能;在休眠模式下仅0.9mA的电流损耗,外部中断或RTC能唤醒系统,在待机模式下电流损耗低于0.6mA,外部中断能唤醒系统;集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机;具有优良的无线电接收灵敏度和强大抗干扰性;集成度高,所需外围器件少;扩展板包含有串口和LCD显示器等,用于数据串行传输和数据显示。信号采集与调理   采用低功耗、高精度的仪表放大器AD620作为前置放大器的核心器件。AD620具有高精度、高输入阻抗、低输入偏置电流、低输入失调电流、低噪声、低功耗、体积小等特点,非常适合应用于医疗仪器系统。低通滤波器电路采用巴特沃斯四阶滤波器TLC04,该器件成本低、易使用,提供精密的四阶低通滤波器功能。缓冲器为一个同相电压跟随器,其作用是为了提高系统输入阻抗和共模抑制比。限波器采用双T带阻滤波器,用来滤除50Hz的工频干扰。主级放大器采用满电源输出幅度四运算放大器TLC2274,它提供优秀的AC性能,且提供比普通CMOS运放更低的噪声、低输入失调电压和低功耗性能。   ZigBee路由节点的程序流程图如图2所示。   数据处理及显示描述   本设计采用差分阈值法检测QRS波,其基本思想是:对滤波后的 ECG 信号进行差分运算,求出差分的阈值以确定 QRS 波形的下降沿,再根据一定的时间窗和幅度阈值来确定QRS 波的特征点。   采用扫描式心电描记法,其主要原理是:从左到右画点,依次显示出相应的位置,同时新的点又将原来的点覆盖掉,中间有一段缓冲区刷掉旧点。画到最右端时,又从最左端画下一幅图,并且一直重复下去。上位机显示波形图如图3。

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  • 中国高端医疗成像设备市场迅速增长,本土设计比例大增

    MIMI的通讯机理

    医疗电子技术文库 超声 诊断成像

  • 小生境遗传算法的移动机器人路径优化技术

    无线传感器网络及其在光缆干线预防性维护中的应用设计 无线传感器网络是一种自组织网络,具有快速展开、抗毁性强等特点,广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测等方面。本文根据光缆干线预防性维护需求和无线传感器网络的特点,给出了基于无线传感器网络的光缆干线预警系统的设计方案。关键词:无线传感器网络,光缆干线,预防性维护,设计方案 1.引言随着通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和传感器技术的飞速发展和不断融合,一种具有感知能力、计算能力和通信能力的新型网络—无线传感器网络逐步发展起来了,因其具有开设简单、价格低廉、抗毁性强、隐蔽性高等优势,在发达国家得到了很好的应用。 2.无线传感器网络及其特点无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是一种新型的信息获取系统,是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地监测、感知和采集网络覆盖区域内各种感知对象的信息,并对这些信息进行处理,最终发送给观察者。无线传感器网络是一种低功耗、自组织网络,一般由一个或多个基站(Sink节点)和大量部署于监测区域、配有各类传感器的无线网络节点构成。每个节点成本低,功耗小,具有一定计算处理能力、通信能力。虽然单个节点采集数据并不精确,也不可靠,但是大量节点相互协作形成高度统一的网络结构,提高了数据采集的准确度和运行的可靠性,可部署于在敌占区、灾害区、核反应堆等人力不可达的特殊区域进行数据采集、传输等,具有其他网络无法比拟的特性,可广泛用于国防、环境监测、智能家居等领域。与蜂窝网、无线局域网等其它无线通信网络相比,无线传感器网络有其自身的显著特点:l) 分布式、自组织性。无线传感网是由对等节点构成的网络,不存在中心控制。管理和组网都非常简单灵活。不依赖固定的基础设施,每个节点都具有路由功能,可以通过自我协调、自动布置而形成网络,不需要其它辅助设施和人为手段。2)健壮性。由于能量限制、环境干扰和人为破坏等因素的影响,传感器节点会损坏,导致一些传感器节点不能正常工作,但随机分布的大量节点之间可以协调互补,保证部分传感器节点的损坏不会影响到全局任务。3)可扩展性。当网络中增加新的无线传感器节点时,也不需要其它外界条件,原有的无线传感器网络可以有效地融纳新增节点,使新增节点快速融入网络,参与全局工作。4)动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络,网络内的节点可能会因为能量耗尽或其他故障退出网络;有些节点可能处于工作状态,有些节点可能处于关闭状态,没有参与网络通讯;也有可能又会新增大量的节点融入网络,这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。5)应用相关。无线传感器网络用来感知客观物理世界,获取物理世界信息。不同的传感器网络应用关心不同的物理量,因此不同应用背景将导致不同的节点硬件平台、软件系统和网络协议。无线传感器网络不能象Internet一样具有统一的通信协议平台,必须针对具体应用来研究传感器网络技术。这也是无线传感器网络区别于传统网络系统的显著特征。6)规模大。为了提高网络的可靠性,通常在目标区域内部署大量传感器节点,传感器网络可能包含多达数千甚至上万个传感器节点。传感器网络的大规模性还能够通过不同空间视角获得更大的信噪比,从而提高监测准确性。7)高冗余。节点的大规模部署使得无线传感器网络通常具有较高的节点冗余,网络链路冗余以及采集的数据冗余,从而使得系统具有很强的容错能力。8)空间位置寻址。无线传感器网络一般不需要支持任意两个传感器节点之间的点对点通信,传感器节点不必具有全球唯一的标识,不必采用因特网的IP寻址。用户往往不关心数据采集于哪一个节点,而关心数据所属的空间位置,因此可采取空间位置寻址方式。从这个意义上讲,传感器网络通常以数据本身作为查询或传输线索,因此传感器网络是一个以数据为中心的网络。 3.光缆干线预防性维护需求光纤通信传送网是其它业务网系的基础,光纤通信传送网一旦出现阻断,将影响其承载的各业务网系,因此,如何采取措施,预防光纤通信传送网的阻断,就显得尤为重要。在光纤通信传送网的阻断中,有一部分阻断是由滑坡、塌方、地基沉降等自然灾害引起的,并且在同一地段具有多发性的特点,因此,我们可以应用无线传感器网络对光缆干线经过的险情高发地段进行监测和预警,提前预报险情,提醒线路维护人员提前进行路基加固定、线路抢代通及线路整改等准备工作,将安全隐患消灭在萌芽状态。 4.基于无线传感器网络的光缆干线预警系统的设计通信光缆干线一般部署于地表以下的土壤层,当地质情况发生变化(如:滑坡、塌方、地基沉降等)时,容易毁损光缆,造成通信中断,影响通信网络的正常运行。为此,我们可以设计一个基于无线传感器网络的光缆干线预警系统,其架构如图1所示,系统由数据采集子系统、数据传输子系统、数据管理子系统构成。 数据采集子系统由相应的传感器及其变送器构成,负责土壤应力、温度、湿度等状态信息的采集,各传感器部署于待监测路段土壤层,其采集的信息通过WSN节点的A/D转换接口进入节点。数据传输子系统由无线传感器网络节点,微控制单元(Micro Controller Unit,MCU),GPRS/GSM/CDMA模块,卫星通信网组成,负责将采集的数据上传到管理中心。无线传感器网络节点具有双重功能,一方面连接各类传感器,接收相应数据,另一方面,负责数据打包、传输等,充当路由者。无线传感器网络是一种自组织网络,一经部署即可自动组网,可以自主选择下一跳节点,从而使数据通过多个节点以多跳中继的方式上传到sink节点。微控制单元负责接收并通过GPRS/GSM/CDMA模块转发数据到管理中心。GPRS/GSM/CDMA数传模块、卫星通信网主要用于实现远程数据的传输,一般待监测的区域距离管理中心较远,采用GPRS/GSM/CDMA的数传方式显得更为灵活和高效。数据管理子系统是系统的管理中心,用于系统数据存储、管理、分析、显示、维护的子系统,主要包括数据库服务器、应用服务器及相关配套设施,负责对采集到的数据进行存储和管理。比如系统根据采集到的数据分析土壤应力变化情况,如果应力超限则说明土壤层可能发生滑坡、沉降等灾害,系统自动发出声光预警,并显示具体位置等相关信息,从而可以提示维护人员提前采取必要的补救措施,保证通信光缆不被损坏。同时,数据管理子系统还包括基于B/S模式的数据查询、显示系统,客户机可以通过数据传输网(DCN)访问系统,为网管中心等通信网络管理部门随时查看和分析某地区通信光缆的安全状态提供访问手段。管理中心部署在各地区的维修中心,系统一旦发出预警,值班人员可立即通知线路维护人员到系统指示的地点进行预防性维护,确保光纤通信传送网安全可靠地运行。

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  • 基于示波法设计的电子血压计系统

    基于示波法设计的电子血压计系统

    基于示波法设计的电子血压计系统 本文介绍采用LM3S1138作为控制核心、压力传感器MPXV505GP作为信号采集器的电子血压计的设计方法。 医疗检测设备家庭化逐渐成为趋势,其中家用血压计就是典型的家庭医疗检测设备。目前较为常用的血压计是水银血压计,对普通用户,特别是中老年人来说,使用比较困难。过去人们必须到医院测量血压,十分不方便。测量准确、操作简单、携带方便的血压计有利于人们尽早发现和鉴别各类血压病症,及时就医。电子血压计具有成本低、小型化、功耗低、自动化程度高的优点,在使用上带来了便携和易操作的特点,弥补了水银血压计的不足。 1 示波法原理 示波法又称为压力振荡法,其工作过程是先将袖带充气以阻断动脉血流,然后在放气过程中检测袖带内的气体压力并提取微弱的脉搏波。如图1所示,当袖带压力P远高于收缩压时,脉搏波消失,随着袖带压力下降,脉搏开始出现。当袖带压力从高于收缩压降到收缩压Ps以下时,脉搏波会突然增大,在平均压Pm时幅值达到最大。然后脉搏波又随袖带压力下降而衰减。示波法血压测量就是根据脉搏波幅度与袖带压力之间的关系来估计血压的。脉搏波最大值对应的是平均压,收缩压Ps和舒张压Pd分别由对应脉搏波最大幅值的比例来确定。 测量血压时,随着袖带压力的下降血管由阻断变导通,这一过程会在袖带中产生一系列的小脉冲。将小脉冲拾取出来,将其峰值连成曲线,得出包络线,如图2所示。 利用示波法判定收缩压和舒张压的具体方法很多,主要可以归纳为两种:波形特征法和幅度系数法。波形特征法基本原理是利用脉搏波包络线的拐点测量血压,上升时拐点对应的静压力为收缩压,下降时拐点对应的静压力为舒张压。这种方法测量的个体适应性较差,测量精度不稳定,已逐渐被幅度系数法所替代。 幅度系数法又称“归一法”。它是将脉搏波振动信号的幅值与信号的最大幅值相比进行归一化处理,通过确定收缩压和舒张压的归一化系数来识别收缩压与舒张压,如图3所示。其中,As为收缩压对应的脉搏波幅度,Am为平均压所对应的脉搏波的幅度,Ad为舒张压对应的脉搏波幅度,As/Am为收缩压Pd的归一化值,Ad/Am为舒张压Ps的归一化值,Pc为袖带压力,横坐标代表放气过程中袖带内压力的不断减小。As/Am=C1,Ad/Am=C2,分别对应收缩压和舒张压的位置。根据测得的脉搏波幅值和对应的静压力,就可以得出收缩压Ps、舒张压Pd和平均压Pm。一般收缩压的幅度系数为0.46~0.64,舒张压的幅度系数为0.43~0.73。 收缩压判据的确定:在充气过程中脉搏波幅度包络线的上升段,当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um之比Ui/Um=Ks时,就认为此时对应的气袖压力为收缩压。即Ps=P∣Ui=Ks·Um。 舒张压判据的确定:在脉搏波幅度包络线的下降段,当某一个脉搏波的幅度Ui与最大幅度Um之比Ui/Um=Kd时,就认为此时对应的气袖压力为舒张压。即Pd=P∣Ui=Kd·Um。 心率指心脏每分钟搏动的次数。由于心脏与脉搏搏动一致,所以在测量血压的同时可以测得心率。测定心率的关键是判断脉搏波的峰值,然后根据一定时间内有多少个脉搏波计算出心率。 2 系统硬件设计 2.1 系统总体结构 如图4所示,系统硬件主要包括:LM3S1138控制器、气泵、滤波放大电路、报警电路、存储模块、键盘模块及液晶显示模块等。 气动电路主要完成对外界施加压力的控制及压力信号数据的采集;放大滤波电路主要完成从混合血压信号中滤出脉搏信号,并对脉搏信号进行放大;存储模块主要用于测量记录的存储;报警电路用于异常情况下的声光报警提示;显示模块用于显示血压测量数据及血压历史记录;键盘模块用于系统设置参数的输入。   2.2  气动电路 气动电路由袖带、气泵、压力传感器和放气阀构成,它们构成一个四联通的结构。压力传感器输出的两路信号分别与主控制器两路A/D相接,完成静压信号和脉搏信号的测量;气泵和放气阀由主控制器经驱动芯片直接控制,完成测量时候的充放气。 2.2.1  压力传感器 人体生理信号的特点是低频小信号,一般是μV~mV级的,频率范围是0~300 Hz,信噪比低,因此选择一个性能良好的传感器就非常重要。 MPXVS050GP压力传感器内部含有信号运放和信号调节功能,具有良好的线性度,输出电压与所加压力成正比关系,可以进行片上补偿,并且其温度补偿特性能克服半导体压力敏感器件存在的温度漂移问题。它可以直接将动脉血液对血管壁的压力转换为0~4.7 V的电信号,对应的血压值为0~375 mmHg,与血压计的设计要求非常匹配,因此特别适合示波法压力测量。图5为MPXV5050GP压力传感器输入、输出线性对应关系。 2.2.2  驱动电路设计 图6为气路驱动电路。HLPM30A气泵和HLV01A电磁阀的工作驱动电流分别为450 mA和75 mA,控制气泵和电磁阀工作的信号由LM3S1138控制器发出,而LM3S1138控制器的数字I/O输出电流不能满足要求。因此,为给气泵和电磁阀提供合适的驱动电流,采用可输出500 mA电流的达林顿管ULN2803驱动电路来驱动气泵和电磁阀工作,分别利用ULN2803的第1路、第2路来驱动电磁阀和气泵。 2.2.3  滤波放大电路 从压力传感器出来的信号是脉搏信号和静压信号的混合信号,还夹杂着来自外界的高频干扰和直流或低频分量。静压信号属低频信号,频率小于或等于0.04 Hz,脉搏信号频率一般约为1 Hz。虽然所选的压力传感器具有放大功能,但是对脉搏振荡信号的放大有限,因此主要是静压信号。将混合信号分为两部分接入LM3S1138控制器,一路直接连接A/D转换器进行模/数转换,得到静压信号数据;另一路通过带通滤波放大电路后进行模/数转换,得到放大的脉搏信号数据。 如图7所示,滤波器由2个决定截止频率的RC网络组成。这两个截止频率由以下公式计算。 考虑到低血压患者的血压、心率比正常人低,又要保证滤除干扰分量,故这里设定脉搏波频率为0.5~5 Hz,因此取R1=1 kΩ,C1=33μF,R3=1 MΩ,C2=0.33μF。 此电路不仅可以提取出所需的脉搏信号,还对微弱的脉搏信号进行了放大。脉搏信号的强度因人而异,但一般范围为1~3 mmHg。根据压力传感器MPXV5050GP的传递函数,这个压力信号转换的电压信号为12~36 mV。由于滤波器在1 Hz信号处衰减10 dB,因此振荡波信号变成3.8~11.4 mV。经过试验测试,将放大器的放大倍数设定为150,使得信号变化范围定位在LM3S1138的A/D转换灵敏度较高的区域,可以提高数据采集的精度。 3 系统软件设计 3.1 系统工作主流程 系统工作主流程如图8所示,其中测量工作模式为默认模式。 血压测量模式下,完成血压的测量显示,并对测得的血压数据进行分析,若有异常(血压偏高、血压偏低、心率较慢、心率较快、错误测量等),立即进行报警提示。报警条件: ①收缩压>145 mmHg或收缩压<95 mmHg; ②舒张压>90 mmHg或舒张压<45 mmHg; ③心率>105或心率<45。 测量完毕后,提示是否保存数据。系统最多可以对16组数据资料进行存储,每组可存331条记录。 查看记录操作模式下,可以调出16组血压数据列表或生成日、周、月血压情况的折线图,便于对某一段时期血压变化情况进一步的观察和分析。 3.2 血压测量流程 血压测量采集和处理过程中,有以下几组重要的序列和数据。设原始静压信号序列为{statk_BP[i],i=0,1,…,n-1),脉搏信号序列{pluse_BP[i],i=0,1,…,n-1}。经过归一化后,峰值序列{peak_BP[i],i=0,1,…,n-1},峰值包络中最大值为max_peak。峰值时间间隔序列为{TIme_peak[i],i=0,1,…,n-1)。 如图9所示,测量模式下,气泵自动加压进行充气,当袖带中压力至大于或等于200 mmHg,无脉搏信号出现时,停止充气,袖带中气体缓慢释放。每隔5 ms采集1次脉搏信号值,在检测到第1个峰值后,以周期为5 ms采集脉搏信号值和静压信号值,分别获得静压信号序列staTIc_BP[i]和脉搏信号序列pluse_BP[i],并判断采集的脉搏信号值是否为峰值。若是峰值,则记录此时的脉搏信号值和静压信号值,以及从上一个峰值到当前时刻的时间差,分别生成序峰值序列peak_BP[i]和峰值时间间隔序列TIme_peak[i]。一般,当袖带压力Pc≤60 mmHg时,脉搏信号峰值消失,当连续4 s内检测不到脉搏信号峰值,系统退出本次血压测量。 3.3 血压和心率计算流程 示波法血压测量没有完善的理论推导,使得特征点的确定只能依赖采集样本的统计归纳,因而示波法测量血压是基于统计的方法,有一定的离散性。如图10所示,数据处理过程主要包括滤波处理、心跳周期的计算、平均压力位置的确定、收缩压和舒张压的计算4个重要部分。 滤波处理主要用于对峰值序列peak_BP[i]中相邻跳变较大的数据进行滤除噪点处理优化,增加原始数据的线性度。 心跳周期,指2个脉搏波峰值的时间间隔。为提高结果的准确性,对放气过程中的峰值时间间隔序列TIme_peak[i]取算数平均值,得到平均周期Ta,则心率为R=1/Ta。 平均压力值,指脉搏信号的包络的峰值位置对应的静压值。通过对滤波处理的峰值序列相邻数据进行比较,可以得到脉搏信号包络的峰值max_peak=peak_BP[a],则血压的平均压力值Pm=static__BP[a]。 根据幅值系数法原则,Ps/Pm=Ks和Pd/Pm=Kd。由于收缩压和舒张压在静压曲线中位置由脉搏信号峰值包络确定,可得出:peak_BP[b]/max_peak=Ks和peak_BP[c]/max_peak=Kd。对应的b和c的值,就是收缩压和舒张压在静压序列中的位置,即收缩压Ps=static_BP[b]和舒张压Pd=static_BP[c]。其中,医学临床普遍采用的幅度系数数值,即Ks=0.48,Kd=0.58。 4 实验结果及分析 选取3组测量者,采用重复和对比的方法,对同一个测量者在同一时期分别使用本电子血压计和水银血压计进行连续测量,将测量结果进行对比、分析,以观察测量结果的一致性和准确性,如表1所列。 由表1实验数据可以看出,本电子血压计测量结果基本与水银血压及保持一致,血压误差范围<6 mmHg,心率误差范围<3次/min,因此可以在临床诊断和家庭医疗保健中应用。

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  • 红外传输单道心电遥测系统原理及设计

    红外传输单道心电遥测系统原理及设计

    红外光生物遥测具有抗电磁干扰能力强、发射和接收设备简单、成本低廉、调试容易;无需进行频率注册;使用方便、安全的优点[1]。随着计算机技术的飞速发展,计算机已逐步深入家庭,为研制具有分析、处理能力的家庭医疗监护设备提供了基础。为此,我们研制了一种单道红外心电遥测仪,它以计算机作为分析、处理、显示、存储、通讯手段,用红外光作为传输媒介,对被试者进行实时监护。通过调制解调器,还能把遥测数据传输到医疗中心,供医疗专家分析、诊断,是一种理想的远程医疗前端及家庭医疗监护设备。 心电图是诊断心脏病的重要手段,但是,由于种种原因,用普通心电图仪很难捕捉到异常心电图。无线电心电监护仪或者24小时动态心电监护仪虽然能有效地解决这一问题,但是造价昂贵,难以深入家庭。 1 系统设计及工作原理 本机以计算机作为接收、处理终端,完成数据的接收、处理、存储、通讯等功能,对被试者进行实时监护。 系统采用PCM-ASK调制方式。即第一次调制采用脉冲编码调制,第二次调制采用幅度键控调制。PCM调制具有精度较高、抗干扰性较强的特点。ASK调制,既可以提高抗环境光、抗电磁干扰的能力,又可以通过选择不同的副载波频率,实现多套遥测系统在同一地区同时工作,而不会互相干扰。而且,由于红外发射管工作于开关状态,不仅能降低发射管的功耗,减小发射机的体积、重量,增加作用距离,得到较长的工作时间,同时,ASK调制方式调制线路简单,实现容易,便于晶体稳频,提高系统的可靠性。接收端解调后,数据直接进入计算机的串口,使硬件结构大为简化,且使用方便。 PCM调制器采用单片机实现,由它完成信号采样、A/D转换、数据串行输出。经比较,我们采用了MICROCHIP公司生产的PIC16C71。它是一种低成本、低功耗、高性能、带片内A/D转换器及程序存储器的8位单片机。其指令结构精炼,速度快,体积小,为18脚封装,有4个模拟输入通道,13个I/O口,4个中断源,在5V电源、主频为4MHz的情况下,工作电流小于2mA。 接收端选用集成化红外接收模块TEMS5380作为红外接收部分。它集红外接收、转换、滤波、放大、整形、解调于一体,具有体积小、灵敏度高、功耗低、工作可靠、调试方便的特点[2]。它的中心频率为38kHz,可传输数据的速率达3000波特,系统组成方框图如图1所示。 图1 系统组成方框图 系统的工作过程如下:心电放大器及电平调整电路将心电信号进行放大并调整到A/D转换器所需的电平。单片机以200Hz的采样率对心电信号进行采样、A/D转换,并按串行通信的格式将A/D转换的结果附加起始位和停止位进行移位输出。其中,1位起始位,8位数据位,1位停止位。码速率为2400bit/s。为了便于识别起始位,传输上述10位码后,紧接着传送停止位,直至进行下次A/D转换。串行输出数据控制门控电路工作。振荡分频器产生副载波频率,当串行数据码为高电平时,门控电路打开,副载波信号通过门控电路,驱动红外发光管发光。驱动电路为VMOS管,它的开关特性好,输出电流大,电路简单。 红外接收模块接收到信号后,经转换、滤波、放大、解调、整形,输出串行数据流。为了增大系统遥测范围,在发射端串联了6个红外发射管,而在接收端并联了4个红外接收模块,其方位彼此错开。红外接收模块输出由或门相加,然后经电平转换,变成串行通讯所要求的电平,由计算机串口输入计算机,进行分析处理。 计算机工作于两个模式:实时监护模式和数据回放模式,在此之前可以输入被试者资料。在实时监护模式下。显示器实时显示心电波形及心率。当检测到异常心电图时,计算机发出声音报警。在任意时刻按存储键可以将按键前50秒的数据存储至硬盘中,在一次监护过程中至多能存储21分钟的数据。若按下冻结键,心电波形被冻结在屏幕上,可以把心电波形打印出来,此后可以按继续键继续监护或按退出键退出监护模式。退出监护模式时,可以把分析结果显示出来。 在回放模式中,输入文件名,可以自由选择存储在硬盘中的任意一段心电数据进行波形回放,或将数据通过网络输至救护中心,供专家进一步分析诊断。 2 软件设计 软件设计采用模块化设计、菜单操作。其实时监护工作流程如图2所示。 图2 系统软件主流程图 3 实验结果 发射端心电放大器±5V供电,红外发射管用+9V供电,其余部分用5V供电。接收端用+5V供电。红外发射管工作电流为34mA。系统的遥测距离达41m,在8m×6m×3m的大厅里,无论发射部分和接收部分处于何方位均能正常接收。在较强照明灯和强电磁干扰情况下均可靠运行,信号波形清晰,说明系统具有很强的抗环境光和电磁干扰的能力。 图3 实验结果 4 结束语 经实验表明,本系统精度高,抗干扰性强,结构简单,操作方便,使用安全,作用距离较远。通过选用不同频率的副载波,可以实现在同一房间内多套遥测系统同时工作;通过提高接收部分速率,能够提高信号的采样率,实现多路生理信号的遥测,可以作为一种理想、实用的家庭医疗监护设备和远程医疗前端,是红外遥测技术应用于临床的一种有益的尝试和探索。 本系统发射端采用带A/D转换器的单片机,红外接收部分采用一体化的红外接收模块使系统结构得以简化。但是,红外接收模块的传输速率不够高,因而,信号的采样率受到限制。随着器件的发展,更高传输速率的集成化元件出现,这一问题就可以得到解决。或者系统的红外接收部分采用分立的元件,也可以有效地解决这一问题。

    医疗电子技术文库 红外传输 心电遥测

  • 医疗成像算法的可扩展平台及趋势

    本文探讨了医疗成像算法的当前趋势、成像模式的融合和实现这些算法的可扩展平台。现场可编程门阵列为可扩展CPU平台提供数据采集和协处理支持,使得更复杂的成像成为可能。 医学成像 医学成像技术在医疗保健领域发挥的作用越来越重要。这是因为医疗保健行业正在努力检查出—甚至预测出—尚处在早期阶段的疾病并积极推行无创性治疗,并与此同时降低诊断和治疗成本。诊断成像模式的融合与成像算法开发方式及进展相结合是推动开发能实现上述目标的新仪器的主要因素。 为了提供能满足这些医疗保健行业目标所需要的功能,设备开发商正在转向可扩展的、商业现货供应(COTS)的中央处理单元(CPU)平台,这些平台支持现场可编程门阵列(FPGA)用于数据采集和协处理。要高效地开发灵活、可扩展的医疗影像设备,设备开发商必须考虑若干因素。这些因素包括成像算法的开发,多个成像技术的协同使用(成像模式的融合)以及平台的可扩展性。 成像算法的开发需要用到高级直观的建模工具,用于数字信号处理算法的持续改进。这些先进的算法要求可扩展的系统平台,可以显着地提高图像处理性能。这些可扩展的平台应该可以让更小型的、更方便携带的设备得以实现。 要实现近实时分析,系统平台必须和软件(CPU)和硬件(可配置的逻辑门的数量)相匹配。这些处理平台必须满足不同的性能价位,并且必须能够应对多种成像技术间的不同要求。 FPGA可以很容易地被集成到多核CPU平台,为非常灵活的系统提供DSP处理能力,实现最高性能。 系统架构和设计工程师必须快速区分这些平台上的算法,然后运用高级开发工具和知识产权(IP)库对其进行调试。这一过程加速了平台部署,从而实现了制造商利润的最大化。 算法开发 应从每种成像模式的成像算法中的趋势分析开始探讨,包括考虑如何使用FPGA和IP。 磁共振成像(MRI)生成人体的横截面图像。利用FPGA实现的三个功能被用来重建来自截面的三维体。首先,快速傅里叶变换(FFT)生成灰度2 D切片,通常为矩阵,来自频域的数据。然后,三维体的重建涉及切片之间的插值,以产生一个片间距来近似像素间的间距,这样就可以从任何2D平面看到图像。接着,进行迭代分辨率锐化。这个功能采用一种基于一个迭代反向滤波过程的空间去模糊技术,从而在降低噪声的同时使图像结构被重新聚焦。因此,截面的整体视觉诊断分辨率被大大提高。 超声(成像)。超声图像有颗粒存在是一种被称为散斑(speckle)的现象。散斑是由于不同的独立散射物质(类似无线领域的多路无线电频率反射)的相互作用所导致,并且是倍增的性质。超声图像可通过有损压缩的方法来消除斑点。首先,取图像的对数;散斑噪声变成和有效信号相加。然后,通过JPEG2000编码器采用小波有损压缩将噪音最小化。 X光。状动脉X光成像的运动修正是一种将心脏呼吸循环—呼吸和心脏跳动—对成像的影响降到最小的算法。3D+时间的冠状动脉模型的运动被投射到2D的X光图像,支持对去扭曲功能(平移和放大)---校正这种运动并得到更清晰的图像的计算。 分子成像。分子成像是对细胞和分子级生物过程的表征和测量,其目的是检测并捕捉病变细胞和分子的图像,并监测之。例如,可以将X光成像,正电子发射断层扫描(PET)和单光子发射计算机计算断层成像(SPECT)组合用于器官功能、细胞和分子的低分辨率图像,在相对应解剖特征的分辨率低至0.5mm的情况下。设备更加小型化的趋势和对新算法的探索推动使得性能超出了多核CPU的性能,并使得这些紧凑的系统必须采用FPGA技术。 成像模式的融合。实现早期疾病诊断和无创性治疗推动着成像技术的结合,例如,在PET /电脑断层扫描(CT)系统和x光治疗/CT设备中可见到上述情况。要满足当前的性能要求,需要更高分辨率的图像,这要求用于精巧的几何微阵列探测器加上FPGA来对光子和电子信号进行预处理。在预处理完成后,这些信号被CPU和FPGA协处理器组合进行综合和处理,从而生成详细的身体图像。 非实时(NRT)图像的融合,或图像配准,通常被用在将成像于不同时间的器官功能图像和解剖图像进行排列对比。然而,由于患者位置的变化、扫描基础轮廓的不同、以及患者内部器官自然而然的运动等原因,NRT图像配准是存在问题的。采用FPGA处理对PET和CT实时融合,允许器官功能图像和解剖图像在一次成像期间都被采集并且融合,而不是像过去在后期将图像叠加。融合后的图像可以为手术治疗提供更好的清晰度和定位精度。 在手术期间用于指导医生的图像处理包括将手术前的CT或MRI图像与实时3D超声或X光图像进行配准,以促进无创治疗(如超声波、磁共振干扰和x光治疗)的应用。在这一领域,各种算法被开发用于为某些特定的成像模式和治疗组合提供优化的图像配准结果。 在这一类融合式组合系统中,配置有高速串行互连的FPGA可以缩减将数据采集功能连接到系统后处理部分的互连要求,通过省去额外的电路板和电缆,大大地降低了整体系统的成本。 成像算法 有好几种不同的成像算法被常用于FPGA中。这些算法包括增强、稳定、小波分析和分布矢量处理。 图像增强算法通常用到卷积或线性、滤波。高通滤波图像和低通滤波图像进行线性组合,通过矩阵乘法加权,可生成一幅细节增强而噪音降低的图像。 视频图像的稳定包括视频数据序列的规范化旋转和缩放效果,以最终达到连续帧之间噪音的平衡。此外,该算法平滑了从视频中提取的静态图像的锯齿边缘,并可将图像抖动校正至约十分之一个像素。 小波分析算法设计用于帮助获取信号内的事件信息,小波分析算法采用窗口技术——通过变化窗口的大小——来分析信号的一小段。为了获得更高的精确性,小波分析允许对低频信息采用较长的时间间隔,而对高频信号采用更短的时间间隔。小波分析算法的应用包括不连续点和断点的检测、自相似性检查、信号抑制、信号或图像的降噪、图像压缩和大型矩阵的快速相乘。 近期取得进展的S变换算法结合了FFT和小波变换的优点。它揭示了空间和时间上的频率变化。这一功能的应用包括纹理分析和噪声滤波。S变换算法属于一种密集型计算,会使得传统CPU的执行速度变得很慢。分布式向量处理可以解决这个问题,通过在FPGA内部将向量和并行计算相结合,使得处理时间可缩短25倍。 早期癌症检测的一种方法是利用了恶性肿瘤会调动新血液供应的功能。数字传感器检测到由病人身体释放出的红外线能量。因此,它可以检测到因癌症引起的血流量增加与正常情况的细微差别。这一功能的典型应用是基于一个可编程脉动列阵,通过一个通用工作站和一个基于FPGA的专用硬件引擎来实现。 FPGA引擎可将核心算法加速至近1000倍于一个目前最新工作站所能达到的速度。 对于这些复杂的成像算法而言,多FPGA模块部件功能是必须的。例如,CT重建需要插值、快速傅立叶变换和卷积等功能。在超声成像领域,处理方法包括彩色流处理、卷积、波束形成和弹性估计等。通用成像算法包括诸多类似的功能,如色彩空间转换、图形叠加、2D中值滤波、缩放、帧和场的转换、对比度增强、锐化、边缘检测、阈值、平移、极性和笛卡尔转换、非均匀性校正和像素置换等。 可扩展平台 在过去,许多成像系统被作为成专有计算机系统来打造。但随着当前高性能的商用现货供应(COTS)的CPU板的出现,系统工程师能够以更具创造性的方式来实现设计。虽然许多算法的NRT处理过程单单就软件而言是可以接受,但是实时图像处理仍需要硬件的辅助。当前的FPGA内置有DSP模块、高带宽的内存模块、以及大型可编程阵列等,是非常适合提供这类硬件辅助的硬件设备。 Altera公司(圣何塞)一直与其合作伙伴紧密合作以提供FPGA协处理资源+COTS CPU解决方案的组合。对于来自英特尔公司和AMD公司的单板机(SBC),Altera公司的内置有串行器-解串器的StraTIx II GX FPGA可以直接运行PCI Express兼容协处理器板用于算法卸载。对于AMD公司的带有双插槽的单板机,XtremeData公司(美国伊利诺斯州、绍姆堡)提供了一个可直接插入AMD皓龙处理器的插座的协处理器子卡,提供了一个一流的CPU+FPGA处理解决方案(见图1)。一个四插槽的AMD单板机可提供多个CPU+FPGA协处理器的组合(1 +3,2 +2或3 +1),用以提高算法密集型应用的性能。但可以通过使用多个1U服务器刀片实现最终的平台可扩展性,每个1U服务器刀片执行CPU+FPGA协处理器解决方案。 这些平台的应用增速效果取决于算法:一个算法中可以加载到FPGA中的并行计算越多,整体的执行速度就越快。例如,当对一个CT成像算法采用基于FPGA硬件的加速——给每个CPU(3 GHz)加上一个FPGA协处理器时,整个应用程序的执行速度快了10倍。结果就是,系统的功耗、尺寸以及成本明显地下降。 开发方法学 讨论自然地包括对开发算法的方法以及相应的算法执行工具的考虑。 算法工具。成像系统架构师们使用高级软件工具来对不同的算法建模,并对所取得的结果进行评估。先进的数字信号处理通用工具是来自MathWorks公司(美国、马萨诸塞州、内蒂克)的MATLAB处理引擎和Simulink仿真器图形用户界面。大多数OEM(原始设备制造商)和医疗设计室利用MATLAB来开发快速、精确的算法,如数字图像处理、定量图像分析、模式识别、数字图像编码和压缩、刑侦图像处理和2D小波变换。除了算法开发之外,MATLAB可以被用来模拟在FPGA普遍采用的定点算法,并带有可选工具包,可以生成运行在通用CPU或FPGA内的C代码。 算法的划分和调试。一旦算法开发完成,系统架构师必须决定如何划分CPU和FPGA的功能,以提供最佳的整体解决方案——能够平衡性能、成本,可靠性和寿命的解决方案。设备构架师抱怨说,对一个高性能硬件系统中诸多单元进行算法划分和调试是一种挑战。在过去上,许多设计在FPGA中采用流水线的方法。也就是说,算法被分为成各种功能并在一个有顺序的流水线中执行。调试流水线的运行占了集成工作内容的90%。因为每个函数的执行时间必须针对最大计算处理量进行平衡,并且局部存储器的可见性和延时是受限制的事实,使得事情变得很难。 解决方案是一个更以软件为中心的系统设计。这个系统是基于一个分布式协处理器计算模型,在该模型内,每个功能的协处理器是一个执行机(例如,一个功能性子处理器),其具有基于消息的、用于在子处理机之间传递控制和数据消息的能力。在所有内存、CPU和子处理机之间的完全切换,提供了完整的可观测性,使得调试变容易。消息传递在内部存在于FPGA子协处理器之间;在外则出现在系统内的其它CPU和协处理器之间。 Altera公司的FPGA内部的Avalon 开关结构和可编程片上系统(SOPC)集成工具在所有功能单元之间自动生成灵活的交叉开关结构。经预先测试的IP提供了从FPGA到主机CPU和从FPGA到双列直插内存模块(DIMM)内存的接口。经预先测试的消息网络基础设施支持主机CPU、FPGA子处理机,以及FPGA内存控制器之间的通信控制。一个简化的调试方法是将消息和完全开关相结合,使得开发过程中具有最大的灵活性。最后,可在执行过程中对数据通道进行软件定义(重新定义),这样可以拦截数据或对其重新导向,从而提高系统集成和调试过程中的可观测性。 设计工具和IP。虽然MATLAB这样的工具可以优化用于采用软件进行算法的开发,但其尚不支持在FPGA中的执行。设计人员可以通过采用电子设计自动化(EDA)工具和IP来加快其在FPGA上的实现。 视频和图像处理套件以及DSP库提供了可加速复杂成像算法的开发和实现的IP积木式模块。视频和图像处理模块组,和其它IP模块及参考设计(包括同相/正交(IQ)调制解调器、JPEG2000压缩算法、快速傅立叶变换/逆傅里叶变换,以及边缘检测等)为设计人员提供了广泛的IP,设计人员可以利用这些IP迅速地完成计算密集型任务的FPGA实现。 结论 随着当年婴儿潮时期人口的老龄化,正在努力寻找针对诸如心脏病和癌症这类极其常见疾病的新诊断和治疗方法,包括早期检测以及微创手术治疗。各种诊断成像技术结合和相关算法开发的新进展推动了新设备的开发以满足这些病人的需要。先进的算法需要可以显着提高图像处理性能的可扩展系统平台。 被集成进至COTS多核CPU平台的FPGA,为最灵活、最高性能的系统提供了强大的数字信号处理功能。为了帮助加快这些复杂成像算法在这些平台上实现,需要高级开发工具和IP库。有关软件工具和IP库已被开发出来。

    医疗成像与DSP CPU 医疗成像

  • 数字化超声探伤仪的技术研究及应用前景

    数字化超声探伤仪的技术研究及应用前景

    1 引 言   UT检测技术作为工业上5大常规无损检测技术之一,一直被人们广泛地使用。在UT中长期使用的是A型脉冲反射式超声波探伤仪,其电路方框图如图1所示。   此种仪器显示器显示的是电脉冲信号,探伤人员要从这些信号中区分出缺陷波和其他各种类型的波,其难度相当大,错判、漏判现象时常发生,严重地阻碍了UT技术在更深层次上的应用。但随着电子技术的发展,其成果在UT业中的被广泛应用,一种数字化超声探伤仪应运而生,他使UT技术产生了革命性的变革,不仅能对超声波信号进行实时纪录,甚至可以给出缺陷波的性质。   2 数字化超声探伤仪的工作原理   与A型脉冲式探伤仪不同,数字化探伤仪在电路上有重大改变,其电路方框图如图2所示。   数字信号处理是在计算机中用程序来实现的。通常,首先要进行的处理是去除信号中的噪声,其次是将已经去除噪声的信号进行UT检测所需的处理,包括增益控制、衰减补偿、求信号包路线等。超声信号经接收部分放大后,由模数转换器变为数字信号传给电脑,换能器的位置可受电脑控制或由人工操作,由转换器将位置变为数字传给电脑。电脑再把随时间和位置变化的超声波形进行适当处理,得出进一步控制探伤系统的结论,进而设置有关参数或将处理结果波形、图形等在屏幕上显示、打印出来或给出光、声识别及报警信号。   3 数字化超声探伤仪的优点   与传统探伤仪相比,有以下优点:   (1)检测速度快 数字化超声探伤仪一般都可自动检测、计算、记录,有些还能自动进行深度补偿和自动设置灵敏度,因此检测速度快、效率高。   (2)检测精度高 数字化超声探伤仪对模拟信号进行高速数据采集、量化、计算和判别,其检测精度可高于传统仪器检测结果。   (3)记录和档案检测 数字化超声探伤仪可以提供检测记录直至缺陷图像。   (4)可靠性高,稳定性好 数字化超声探伤仪可全面、客观地采集和存储数据,并对采集到的数据进行实时处理或后处理,对信号进行时域、频域或图像分析,还可通过模式识别对工件质量进行分级,减少了人为因素的影响,提高了检索的可靠性和稳定性。   4 数字化超声探伤仪的主要技术问题   (1)模数转换器(ADC) ADC是探伤仪的超声信号输入电脑的必由之路,把连续变化的模拟信号变为数值信号。   (2)结构 目前,有全数方式和模拟数字混合 2种。   (3)软件 数字化超声探伤仪在软件方面是多种多样的,探伤仪的成败在很大程度上取决于软件的支持程度。   5 数字化超声探伤仪的发展前景   随着电子技术和软件的进一步发展,数字化超声探伤仪有着广阔的发展前景。相信在不久的将来,以图像显示为主的探伤仪将会在工业检验中得到广泛应用。   目前,某些数字化超声探伤仪已具有简单的手动及扫描功能,能示意性地显示被检工件的断面图像。随着技术的进步,我们可在便携式仪器上实现相控阵的B扫描和C扫描成像,使探伤结果像医用B超一样直观可见。   缺陷定性历来是UT检测的一个疑难问题,现代人工智能学科的发展为实现仪器自动缺陷定性提供了可能,运用模式识别技术和专家系统,把大量已知缺陷的各种特征量输入样本库,使仪器接受人的经验,并经过学习后而具备自动缺陷定性的能力。

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  • 基于8051模糊逻辑的室性早博检测

     显示屏从通讯控制方式上分为同步和异步两种,同步控制方式是上位机与屏体之间实时进行通讯。异步控制方式是上位机与屏体之间独立运行,但需要上位机将显示信息编辑并发送到显示屏体。本文给出了基于同步显示上位机信息显示设计。 一、系统总体设计       系统硬件分为三个部分。首先,通过显卡显示信息实时提取电路从显卡中实时提取出VGA单色数字视频信号、像素时钟、行同步、帧同步,经过处理后由输出介质传输过去;第二部分是CRT视频信号到LED显示信号转换电路,该电路把传输介质传送过来的图像信号经选择、存贮、读取、分配,转换成为对应于LED点阵屏的显示信号;第三部分是LED驱动板,它接收转换后的LED显示信号,并分配给LED点阵屏对应的像素点,驱动LED显示。 二、显卡显示信息实时提取电路   在VGA方式下,当在VGA上显示某种颜色时,首先由视频存贮器输出一个颜色号,该颜色号实际上是用于选择调色板寄存器的,被选中的调色板寄存器又产生一个八位索引地址,用来选择数字模拟转换器(DAC颜色寄存器),DAC颜色寄存器共有256个,每个寄存器由18位组成,当选中某个颜色寄存器时,同时将其中的18位数字信号进行模数转换,转换成为模拟红、绿、蓝三色信号,送模拟监视器,实现扫描显卡。   当VGA工作在显示模式18时,即十六色模式的时候,调色板寄存器输出的八位索引地址的低四位(从P0到P3)实际上就是数字视频信号蓝、绿、红以及亮度信号,我们可以利用VGA的这一特点,直接提取单色数字视频信号。在实际电路中,通过显卡26芯特征插座来实现这一功能。其中P0到P7为八位索引地址,17脚、21脚、23脚分别为像素时钟、行同步、场同步。特征插座一方面把这些信号送往颜色寄存器反模拟监视器,另一方面可以对外输出,所以,我们从显卡26芯特征插座上直接提取出一路单色视频信号,经八位串转并变换后经长线传输出去,同时提取出像素时钟、场同步信号、行同步信号,用于以后的信号转换及显示。八位串/并转换是基于两方面的原因:一是因为在VGA图形模式下,一个像素由八位组成,八位并行输出实现了一个像素一个像素的传输;二是八位串/并转换降低了数据传输速率,便于长线传输。   VGA扫描时序与LED屏幕扫描时序有所不同,因此,必须把VGA视频信号转换成为对应于LED大屏幕的显示信号,这主要通过对两片SRAM   (SRAM1和SRAM2)的读写来完成。两片SRAM交替处于读写状态,假设在某一场时,SRAM1处于写状态,SRAM2处于读状态,这时,SRAM1的写信号有效,读信号无效,同时,写地址发生器产生的写地址被选通输入SRAM1,这样,就把数字视频信号写入SRAM1;对于SRAM2,写信号无效,读信号有效,同时,选通读地址输入SRAM2,从而读出SRAM2中前一场已写入的数据,用于分配、传输和显示。   (一)VGA视频信号的选择   VGA视频的分辨率与LED大屏幕不同,在本系统中,我们实现的LED大屏幕的分辨率为256×128,而VGA工作于18模式时,其分辨率为640×480,这样,LED屏幕不能完整显示整个视频图像,而只能选取其中一部分进行同步显示。VGA视频图像的选择,是通过写地址发生器和读地址发生器来完成的。写地址发生器在产生写地址的同时,产生一个写控制信号,该控制信号在一帧中选定行期间有效,其余时间无效,从而仅被选择行的数据写入SRAM中,完成了对于行的选择;同理,读地址发生器在产生读地址的同时产生一个读控制信号,它控制读移位信号仅在选定列期间有效,即只移位读出选定列的数据,从而完成了对VGA视频信号列的选择。   (二)SRAM数据的读出、分配   SRAM中存储的数据,需要按一定的顺序读出、分配,使它对应于LED大屏幕,这里,我们采用分区电路的方式,即把整个LED大屏幕按16的倍数分区,LED大屏幕共有256行,所以分为十六个分区。数据的读出分配按下面的顺序进行:首先是第一分区第一行第一个像素,然后是第二分区第一行第一个像素,&hellip;…第十六分区第一行第一个像素,接下来是第一分区第一行第二个像素……按这样的顺序下去,读出的数据经八位移位寄存器并转串输出,从而使十六个分区对应位置的数据同时传输。   采用分区电路有两方面的优点:第一,将LED大屏幕分为十六分区后,数据的传输速率降低为原来的十六分之一,便于数据传输;第二,发光二极管余辉时间短,要求屏幕刷新频率高,如果整频刷新,则需要的时间长,会产生闪烁现象,采用分区电路后,十六个分区同时刷新,这样,在不增加硬件复杂程度的基础上,克服了屏幕闪烁现象。 三、驱动电路   转换电路输出的数据进入LED驱动电路板,图像数据必须被准确地传送并分配到对应的LED点阵像素处,系统采用动态逐行扫描的方式驱动LED显示。因为各分区数据同时传输,所以各分区的数据传输分配及LED驱动是一致的。本系统中,采用的LED模块是8×8dot行共阳、列共阴模块,采用行共阳驱动方式,即图像数据输入阴极,通过在共阳极施加高电平驱动LED显示。图像数据的输入是通过八位移位寄存器595,每一个595芯片对应一个LED模块,一场开始时,首先,移位信号控制第一行数据输入,当一行数据全部移位进入后,出现一个锁存信号,数据锁存输出到LED模块,同时,第一行共阳极输入一高电平,点亮第一行;在第一行点亮期间,同时移位输入第二行数据,第二行全部移位进入后,又出现一个锁存脉冲,同时第一行共阳极高电平消失,第二行共阳极输入高电平,驱动第二行显示,第一行熄灭……即每次点亮前一行的同时,移位输入第二行数据,保持画面连续。   由上述三部分硬件,实现了VGA视频与LED显示屏的同步显示,使LED大屏幕跟踪VGA视频显示。 四、结论   本系统信息显示不受环境影响,可实现高亮度显示,且系统可以根据信息显示的要求选择屏幕大小,从而控制成本,实用性很强,已在汽车综合性能检测系统中得到应用。本文研究的虽然是单色系统,但这种方法也可推广到全彩色显示系统。

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  • 采用PowerWise技术的“中医神指”蓝牙终端设计

    采用PowerWise技术的“中医神指”蓝牙终端设计

    蓝牙(Bluetooth)技术,实际上是一种短距离、低成本的无线传输应用技术。从目前的应用来看,由于蓝牙体积小、功率低,其应用已不局限于计算机外设,几乎可以被集成到任何数字设备之中,能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信。   “中医神指”及其蓝牙终端总体设计   “中医神指”产品是将中医音乐疗法和按摩疗法结合起来,采用先进的微电子技术,通过蓝牙无线发送器将音乐疗法选定的音乐传送,蓝牙终端是基于PowerWise技术设计便携装置,具有高效节能的特色,通过有声有色的音频和安置在特定穴位的按摩电机同步作用,以达到疏通经络,康复身心的目的,“中医神指”产品有效将文化、健康、科技等时尚元素融合起来。   “中医神指”产品主要由主控软件Magic finger ,蓝牙无线发送器,以及蓝牙终端三部分组成,其中主控软件Magic finger界面如图1所示,包括蓝牙连接、录制指导、按摩放松、播放指导等按钮。蓝牙连接控制蓝牙适配器和神指上的蓝牙模块进行连接和配对,录制指导用于录制医生的指导建议并保存成相应的音频文件,便于蓝牙传输。播放指导调用录制医生的指导建议对使用者进行相应医疗动作,按摩放松选择医生指定的轻松柔和的音乐,给予使用者音乐治疗。   图1 Magic finger界面   蓝牙无线发送器工作频段为全球统一开放的2.4GHz工业、科学和医学(Industrial, ScienTIfic and Medical, ISM)频段,插在USB插口,如图2所示。   图2 蓝牙无线发送器   “中医神指”蓝牙终端样机如图3所示,由控制模块、蓝牙模块、音频模块、指示灯模块、电机控制模块组成。控制模块是负责对其他各个模块进行配置、控制及背景音乐的播放;蓝牙模块主要完成音频数据的接收;音频模块对声音音频放大和进行播放;电机驱动模块控制电机;指示灯模块控制指示灯。   图3 “中医神指”蓝牙终端样机   基于PowerWise技术的蓝牙终端功能单元   能源效率是关系到系统设计成败的关键因素,根据系统架构,在性能、功能、体积和功耗4个重要指标中权衡所有因素作出取舍,确保每一单元的功耗都能发挥出最高的性能。因此,高效能的元器件尤其重要。美国国家半导体PowerWise系列产品目前共有大约300多款集成电路,全部都属于高能效的芯片,帮助提高系统能源效率,实现低耗电、强散热、小体积和更长电池寿命等特性。“中医神指”蓝牙终端是基于PowerWise技术设计便携装置,利用美国国家半导体的PowerWise系列LM49370,LM4570,LM4675及LP3952等器件,具有高效节能的特色,其结构框图如图4所示   图4 “中医神指”蓝牙终端结构框图   音频功率放大器采用PowerWise系列产品LM49370,属于Boomer 音频功率放大器系列的音频子系统,其特点是采用扩展频谱技术,因此电磁干扰极低,而且内置D类扬声器放大器、双模式立体声耳机放大器以及可支持蓝牙收发器的专用接口,其内部框图如图5所示   点击看原图   图5 音频功率放大芯片LM49370内部框图   立体扬声采用PowerWise系列产品LM4675,一款2.65W 单声道 D 类音频功率放大器,其特点是采用扩展频谱技术,因此电磁干扰极低,无需加设滤波器,其内部框图如图6所示 点击看原图   图6 立体扬声芯片LM4675内部框图  对于便携式产品而言,系统功耗是制造商需要首先关注的问题之一,“中医神指”蓝牙终端是基于PowerWise技术设计,采用的PowerWise系列产品自适应电压调节(AVS)和阈值电压调节,将数字逻辑集成电路的工作和泄漏功耗自动降至最低,同时保持最小的系统开销。蓝牙终端根据各自独立的处理单元实际工作需要调节其供电量,以减低功耗。   结论   “中医神指”设计将中医音乐疗法和按摩疗法结合起来,“有声有色”地提供了疏通经络、康复身心等保健功能。其蓝牙终端由于使用了PowerWise器件,这些PowerWise器件都内置多个独立操作的处理单元,有时这些单元全部全速工作,但有时其中部分功能会处于空闲或关闭状态。由于可以独立管理各单元的电源供应,使系统功耗达到最优。

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  • 医疗电子病历综合解决方案

    以PACS为主体的智能医疗系统,从两个层面提出对数字化医院的整体解决方案,即核心层次及科室层次。在科室层次上,针对各个具体负责诊疗工作的科室,配备各类专用科室信息系统,如为放射科、核医学科、超声科和内窥镜配备数字化影像部系统(DID);为静态心电、运动心电图、动态心电图配备心电图检查信息系统(EDS);为脑电图、肌电图、神经电位检测配备脑神经检查信息系统(CNN);为HCU/CCU/ICU、手术室和病房配备临床信息系统(CAN)。在核心层次上,通过综合诊疗信息系统(EDIS)为核心,连接各科室的专用信息系统,不但基于IHE框架控制整个医院的数字化诊疗过程的自动化,而且为院内及院外的终端用户提供综合性的全电子病历视图(Enterprise Viewer)。   电子病历综合解决方案V-CPR2000   V-CPR2000的目的是通过与医院各信息系统的连接,实现涵盖影像、生理、病理、生化等信息在内的全电子病历系统。它以病人为中心,全面跟踪记录病人的所有信息;提供丰富的医嘱套餐,智能型的医嘱录入及强大的病史参照功能,大大提高工作效率,减少医疗失误率;Enterprise Viewer集成电子病历视图,在单一终端界面下提供综合的多科室医疗信息视图,医生只需轻点鼠标即可获取病人的全部医疗数据。   数字化影像解决方案V-PACS2000   V-PACS2000的目的是为医院提供影像数字化的一揽子解决方案。 它并不只局限于单个影像科室,而是面向医院内所有影像科室,连接各种成像设备(包括CR、DR、CT、MRI等放射成像设备,以及超声、内窥镜等非放射成像设备)的综合性网络信息系统。   V-PACS2000提出医院影像全方位的数字化解决方案。它通过与医院所有的影像设备相连,采集并数字化归档所有的影像数据,提供影像检查的自动流程控制,综合性的影像数字化诊断,以及实现影像检查数据的网上发布。   临床监护信息综合解决方案V-CIS2000   V-CIS2000 的是为实现临床护理的数字化而提出的解决方案。随着现代化的监护设备的大量的应用于临床领域,比如手术室、ICU/CCU 以及急救中心都有这数量众多的监护设备、呼吸维持设备,这些设备在为临床医疗提供大量临床信息的同时也带来了一个新的困惑,临床人员不得不花费过多的时间和精力来记录和分析这些数据。V-CIS2000 正是为解决这个两难的困惑而设计的,它提供对临床设备信息的自动获取、归档、分析、并为临床人员提供各种图形化的数据显示和计算机辅助诊断;除了这些之外V-CIS2000 还整合了相关的医生工作站提供医嘱录入、病程记录等使得整个临床诊疗过程实现数字化。

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  • 基于Nios II软核处理器的多生理参数测量系统的总体设计

    基于Nios II软核处理器的多生理参数测量系统的总体设计

      本文主要搭建一个多生理参数测量系统的数据处理平台,在FPGA中嵌入一个32位Nios II软核处理器,用于控制数据的传输、存储及显示。主要完成了此数据处理平台硬件系统的定制及编写相应程序,以控制数据的采集、存储及显示。   采用Nios II处理器为核心进行设计,可以将全部的接口电路集成在同一片FPGA上,结构简单。同时,利用Nios II软核可在线配置的优点,通过软件编程改变FPGA的内部结构即可迅速、方便地实现系统性能的扩展、升级,大大缩短了系统的开发周期,提高了性价比。   多生理参数测量系统的总体设计   一个完整的生理参数检测系统结构可分为三部分:前端检测电路、接口部分、数据处理平台,分别完成生理信号的采集、传输和信号的处理功能,系统层次结构如图1所示。      前端检测电路主要完成信号的采集和量化。通过连接不同的传感器,可以对不同的生理信号进行采集,包括心电信号、脉搏信号、体温等常见生理信号。采集到的生理信号经过一些放大、滤波、模数转换处理后,通过串口发送至数据处理模块进行处理,得到所需要的各种生理参数,最后进行显示或者无线传输。本文主要完成基于FPGA技术的数据处理平台的搭建。   基于FPGA技术的数据处理平台的设计   本设计搭建的是一个以Nios II软核处理器为核心的数据处理平台,首先控制串口接收数据,并存储在相应的存储空间,经过相关的数据处理,通过控制显示外设显示相应的波形和参数。NiosⅡ是基于哈佛结构的RISC通用嵌入式处理器软核,能与用户逻辑相结合,编程至Altera的FPGA中。处理器具有32位指令集、32位数据通道和可配置的指令以及数据缓冲[2-3]。   硬件平台的构建   在本设计中,NiosⅡ软核处理器作为控制核心,通过连接串口、存储器件、显示外设构成基本的数据处理平台。因此搭建了如图2所示的硬件平台。      硬件平台主要在Terasic公司的Altera DE2开发板上实现,系统的主要组件有NiosⅡ的内核、片内存储器、定时器、VGA控制器、LCD控制器等,都集成在一块Altera的Cyclone II FPGA芯片上,使用SoPC Builder来配置生成片上系统。SoPC Builder自动产生每个模块的HDL文件,同时自动产生一些必要的仲裁逻辑来协调系统中各部件的工作[4]。   NiosⅡ软核系统的定制   根据图2所构建的硬件平台,利用SoPC Builder定制32位NiosⅡ CPU以及参数化的Avalon接口总线,然后再通过适当增添平台中所需的元件核,以适应NiosⅡ系统功能的需求,生成如图3所示的基本定制。      软件设计   软件部分主要是控制数据的接收、存储以及显示。在自定义IP核模块中可以设计一些数据处理的算法,如数字滤波算法、某些生理参数值的计算,包括血压值、心率等。   数据接收模块的设计   本设计使用串口接收数据,Nios II开发中使用的UART串口模块是一个SoPC Builder组件,它包含在Nios II开发包中。在开发包中还预定义了一些关于UART的数据结构和常用的UART函数,这样可以方便地对UART进行编程。   首先,要在SoPC Builder中对UART的参数进行设置,包括波特率、传输的数据帧格式等。当在SOPC Builder下完成系统的硬件设计时,会自动生成一个硬件抽象层(HAL)文件,作为软件和硬件的接口,同时会在excalibur.h头文件中声明UART模块的相关数据结构。软件通过外设的抽象地址映射接口接入硬件。本设计使用串口中断的方式接收数据,其流程如图4所示。      数据显示模块的设计   在Nios II系统中,VGA是一个外设IP核。设计中最重要的部分是VGA时序的产生,它是正常输出显示的关键,包含在VGA控制器中。VGA控制器是用SoPC Builder中的interface to user logic生成的,首先用硬件描述语言定义一个时序输出和RGB信号输出模块,点时钟25.175MHz由开发板提供的时钟经锁相环分频产生。锁相环是通过MegWizard工具加入系统的。该模块实现了VGA输出所需的点时钟、复合同步控制信号、复合消隐控制信号、行同步和场同步信号;同时也完成了从寄存器内读取输出显示命令及颜色值。其中点时钟、复合同步控制信号、复合消隐控制信号和RGB数字信号输入给ADV7123,行同步、场同步和由ADV7123转换输出的RGB模拟信号输入给VGA显示器。另外,还要用硬件描述语言实现对寄存器的读写,以使VGA控制器端口符合Avalon接口规范。   用HDL语言编写了VGA模块的时序控制及RGB信号的输出程序,其时序仿真结果如图5所示。      数据存储模块的设计   本设计所用的开发板上提供了丰富的存储资源,包括8MB的SDRAM、512KB的SRAM、4MB的Flash,另外还有SD卡接口,通用的GPIO接口也可以方便地连接片外扩展的存储芯片。   本文主要设计了以Nios II软核处理器为核心的数据处理平台。在以后的设计中,可以进一步研究数据处理的算法,包括信号的数字滤波、参数的数值计算等。   基于极其灵活的Nios II处理器的数据处理平台可以根据不同医院、社区和家庭的需要,通过选择不同的前端数据采集模块和相应的数据处理算法进行快速的配置和升级。同时可以通过网络连接,实现远程医疗和信息共享。在现代医疗仪器的设计中采用现场可编程门阵列实现,将显著缩短开发周期,减少设计风险,降低成本,提高产品的可靠性、灵活性,并实现模块化、微型化。

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  • 不同成像方法电子设计的挑战

      十年来,车载网络架构已变得更为复杂。虽然车载网络协议的数量有所减少,但实际在用的网络数量却大大增加了。这就提出了网络架构的可缩放性问题,并且要求为满足各种应用和网络的实际需要而优化半导体器件。   FPGA 曾一度被认为是仅用于开发的解决方案,如今其价位下降使许多问题迎刃而解,因此已经以低于传统 ASIC 或 ASSP 解决方案的总体系统成本投产。现在,面向汽车市场的各大 FPGA 供应商均已通过 ISO-TS16949 认证,从而促使可编程逻辑器件成为汽车市场的主流技术。   车载网络电气架构   过去十年间,很多专门的汽车原始设备制造商的网络协议已经让位于 CAN、MOST 和 FlexRay 等更为标准化的全球协议。因此,半导体供应商悉心制造符合这些协议的器件,这使一级配件供应商竞争更加激烈并且纷纷降价,同时也促进了汽车原始设备制造商之间的模块互通性。但是,今天的汽车电气架构中仍有许多问题困扰着汽车原始设备制造商和一级配件供应商。   工程师可以按几种不同方式划分和制定网络方略。高端汽车最多可有七条不同网络总线同时运行。例如,一辆汽车可以有一条 LIN 回路用于后视镜、一条 500 Kbps 的低速 CAN 回路用于座椅或车门控制等低端功能、一条 1 Mbps 的高速 CAN 回路用于车身控制、另一条高速 CAN 回路用于驾驶员信息系统、一条 10 Mbps 的 FlexRay 回路用来提供实时驾驶员辅助数据,以及一条 25 Mbps 的 MOST 回路用于在导航或后座娱乐等多种信息娱乐系统内部或之间传输控制和媒体流。   另一方面,低档汽车可以只有一条 LIN 或 CAN 回路,令所有其他模块几乎毫无交互操作地独立工作。各汽车原始设备制造商都以不同方式处理模块间通信和汽车网络拓扑结构,而且每种车载平台都不同,这使一级配件供应商难以开发既有正确接口又可重复使用的模块架构。容纳模块的最终架构的不确定性正是 FPGA 的用武之地。   ASIC、 ASSP 和微控制器具有固定的硬件架构,往往使其资源非缺乏即过剩,毫无灵活性可言。FPGA 的可编程性(以及可再编程性)便于增减片上通道(如 CAN 的通道),而且允许重新使用 IP。有了这种灵活性,即可将针对网络接口的数量和类型进行优化的解决方案迅速制成模块。   网络协议的半导体实现   FPGA 的长处不仅在于接口数量与类型方面的可缩放性。就 ASSP、ASIC 和微控制器而言,其外设宏指令是在硬件中实现,这使其自然缺少灵活性。而在 FPGA 环境中,网络接口 IP 本身可根据所用 IP 进行优化。   例如,使用 Xilinx® LogiCORE™ CAN 或 FlexRay 网络 IP,用户可以随同滤波器的数量一起灵活地设置发射和接收缓冲器的数量。在传统硬件解决方案中,使用 CAN 控制器的工程师通常只有 16、32 和 64 个消息缓冲器这三种配置选择。根据系统功能的级别和 FPGA 外部的可用处理,Xilinx 的可缩放 MOST 网络接口解决方案包括可配置成主动操作或从动操作的网络控制器 IP 以及异步采样速率转换器 (ASRC)、数据路由器或者复制保护加密引擎等大量 IP。   这种 IP 允许优化,既能装入低端解决方案的较低密度器件,也能装入高端解决方案的较高密度器件,而其封装常常在模块的目标电路板上占用同样的面积。另外,对于各主要协议,均已开发出可完善解决方案的中间件堆栈和驱动器。FPGA 解决方案的这种可缩放性和通用性在传统汽车硬件解决方案中是根本不可能实现的。   各大 FPGA 供应商都采用软微处理器,这些软微处理器可以在控制功能的架构中有效实现,并且其运行速度可与某些硬件中嵌入的微处理器媲美。FPGA 架构的另一大优势是能够通过使用乘法器或片上硬 MAC 中的并行 DSP 处理功能来卸除微处理器和分区上的处理任务,从而提高总体性能和吞吐量。   我们已取得长足进步   可编程逻辑器件已取得长足进步,逐渐成为汽车市场的主流技术。各种可编程逻辑器件在可靠性方面难分伯仲,而 FPGA 技术则可以实现灵活的可缩放集成,这在传统的 ASIC、ASSP 或微控制器架构中是不可能实现的。开发周期缩短,可编程逻辑器件供应商采用先进的工艺技术,以及可编程器件必然会带来规模经济,这些均促使总体生产系统成本得以降低。   随着车载网络的关键 IP 和解决方案日趋成熟以及 FPGA 架构的性能潜力逐渐提高,可编程逻辑器件将成为主角,帮助攻克车载电气架构的开发中所固有的某些工程难题。   FPGA 模块TQM hydraXC:   最小且通用性最强的可重配置计算硬件平台   • 基于 XILINX Spartan 3、Virtex 4 和 Virtex 5 技术   • 10/100 以太网、USB 2.0、RTC   • SPI-Flash、NAND-Flash、DDR2 / SDRAM   • 尺寸:2.13 英寸×1.73 英寸 (54 mm×44 mm)   • 可编程 VCC IO   用 TQM hydraXC 的嵌入式解决方案,具有以下优越性   • 上市时间短   • 经济的系列化生产   • 极高的灵活性   • 减少硬件

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    -- Microsoft Visual Studio 最智能增强功能创建商推出新的 .NET 代码覆盖工具和备受期待的 .NET 分析器升级版 布拉格2010年9月15日电 /美通社亚洲/ -- 增效型智能开发工具创建商 JetBrains(R) 今天宣布面向 .NET 开发人员推出全新的代码覆盖工具 dotCover 和经过完全重新设计的简单但强大的 .NET 分析工具 dotTrace 4 Performance。 这些新产品大大拓展了来自 JetBrains 的 .NET 生产力配件包,将 Microsoft Visual Studio 最智能插件 ReSharper、持续整合和构建管理系统 TeamCity 以及以键盘为中心的故障和漏洞追踪系统 YouTrack 也都整合了进去。 dotCover 被设计成一个非常易于使用的 Visual Studio 插件,以帮助 .NET 开发人员确定单元测试中应覆盖的每个单行代码都确确实实地包含其中。 dotCover: 支持在 Visual Studio 2005、2008 或 2010 环境下工作。 分析 .NET 框架和 Silverlight 应用程序的语句级代码覆盖。 集成了 ReSharper 的单元测试工具集。 突出显示单元测试未覆盖的代码。 检测出覆盖任何特别代码位置的单元测试。 提供控制台工具,可和持续整合服务器同时使用。 收集多个覆盖会话数据,并合成快照。 生成基于 XML 的代码覆盖报告。 .NET 部门项目负责人 Oleg Stepanov 表示:“凭借 ReSharper 在 Visual Studio 中直接表现出的所有单元测试优势,我们认为是时候向 .NET 开发人员提供一款工具来帮助他们明白他们的单元测试操作究竟会实现怎样的成功。有些东西可以让开发人员立马发现代码覆盖中的任何漏洞并同时将它们整合到企业开发和报告工作流程中。经过几个月的努力工作,我们就这样达成了心愿。” 2011年1月1日之前,dotCover 个人授权的推介价为49美元,商业授权的推介价为99美元。所有授权均免费提供1年的升级和技术支持服务。 dotTrace 4 Performance 是 JetBrains 现有 .NET 分析工具组合实现重大升级所要走的第一步。在成为一体化存储和性能分析工具后,dotTrace 分成了两个产品。dotTrace 4 Performance 是其中之一,另一个则是预计几个月后将面世的 dotTrace 4 Memory。 dotTrace 4 Performance 有助于 .NET 开发人员: 获得利用 .NET Framework 4、.NET Compact Framework 3.5 和 Silverlight 4 等创建的各种 .NET 应用程序的准确的性能瓶颈信息。 以几种模式高准确度分析应用程序,包括分析远程应用程序。 分析复杂的桌面和服务器应用程序(得益于其空前的稳固性)。 立即评估如何消除某个可影响应用程序整体性能的特定的瓶颈。 启动 Microsoft Visual Studio 分析后迅速回过头来检查有问题的源代码。 dotTrace 4 Performance 有标准版和专业版两个版本。商业授权最低价为399美元。同时购买 dotTrace 4 Performance 和 dotTrace 3.5 Memory(一款支持最新 .NET 框架的存储分析器)可享受折扣优惠。 所有老客户可免费获得 dotTrace 3.5 Memory。2008年12月17日或之后购买的产品授权可完全免费升级至 dotTrace 4 Performance!

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  • 变频式家用电疗仪电路原理图

    变频式家用电疗仪电路原理图

    家用电疗仪具有十挡自动循环变换输出频率的功能,且其输出脉冲强度和频率变换速度均可自由调节。它输出脉冲宽广的频谱很适易于用作按摩器,以消除疲劳和作为一些常见病的辅助治疗。电路由可变频率式脉冲振荡器、振荡频率变换控制器和脉冲输出电路组成。

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