基于PCI－1712数据采集卡的骨质疏松治疗仪上位软件设计

王树东，宋国辉，高学洪，周盛成，王恒星，何巍

（1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院 ，甘肃 兰州 730050;2.甘肃省工业过程先进控制重点实验室，甘肃 兰州 730050）

0 引言

在现代医疗领域，随着科技的发展，国内外医疗器械行业迅速发展，各种结合新技术的高科技医疗产品不断涌现。骨质疏松治疗仪正是在新技术的推动下，为更好的治疗目前社会日益增长的骨质疏松病人，产生的一种针对骨质疏松病症有特效的仪器。它可以迅速缓解患者骨质疏松临床症状，同时可以增加骨密度、改善骨质量、提高骨强度、降低骨折风险、促进骨折愈合等功效。国内外很多医学方面专家都对其进行相应的研究，也制造出一些医疗设备。本文正是在吸收和借鉴国内外研究成果的基础上，采用先进的工业控制设备，结合软件工程的思想，实现了整个治疗仪的智能控制。

该系统以工控计算机为平台，采用研华高速数据采集卡PCI－1712对治疗仪进行控制和状态显示，同时进行各种波形的输出和数据的采集。应用软件采用Visual Basic语言，结合采集卡驱动程序进行编写，界面友好、操作简单、功能完备，能很好地满足操作者对整个装置和医疗过程的监控，整个系统的操作只需在上位软件中操作即可完成，且操作简便，适合各类医疗人员的使用。下面将从系统的硬件结构和软件设计进行介绍。

1 系统硬件结构

1.1 硬件组成及功能

该治疗仪由工控计算机、研华PCI－1712高速数据采集卡、特制的功率放大器、磁场传感器、行程开关、治疗床及治疗床上可移动环形治疗器等组成。采集卡通过PCI插槽和工控计算机相连，使用研华的相应驱动进行通讯。由于PCI总线是一种独立于CPU的局部总线，支持突发传输操作，DMA模式下的数据通信使总线数据传输吞吐量达132MB/S，完全满足了此系统高频率电压波形输出和高速数据采集的需要。功率放大器输入端通过端子排ADAM－3968和PCI－1712的模拟量输出通道相连，接受采集卡输出的电压范围为－10～10 V，频率在0～1 000 Hz之间的电压波形信号，经过自身一定比例放大，最后输出电压范围为－700～700 V、电流范围为0～15A的信号给负载，即治疗仪的环形治疗器线圈，从而产生合适的磁场供病人治疗。另PCI－1712通过模拟量输入通道采集功率放大器反馈的代表输出电压和电流大小的直流电压信号，同时采集磁场强度传感器的数据;通过数字量输入通道和行程开关判断环形治疗器的具体位置;通过数字量输出通道控制环形治疗器的左右移动和治疗仪床头的上升和下降。此治疗仪具有发射脉冲电磁场，连续波电磁场和静电磁场的功能，是一台“三合一”的多功能治疗仪，其控制软件是集病人信息管理和控制治疗过程于一体的综合智能型系统。整体的系统硬件结构如图1所示。

1.2 硬件介绍

本系统采用的研华PCI－1712多功能高速采集卡，适用于各种工业现场控制与数据采集，它是将 A/D转换、D/A转换、数字量输入、数字量输出、计数器/定时器以及温度测量等功能集于一体的多功能板卡。它具有高达1 M转换速率的12位A/D转换器，板卡上自带FIFO缓存，可存储1 K A/D采样数据或32 K模拟输出数据，可提供16路单端或8路差分输入，也可单端差分混合使用，2路12位D/A模拟量输出通道，16路数字量输出通道，以及3个10 MHz时钟的16位多功能计数器通道。在此系统设计中，只需用到1路模拟量输出、3路模拟量输入、3路数字量输入、5路数字量输出通道，有足够的余量以便扩展。最关键的部分模拟量输出电压频率要求在1～1 000 Hz之间，而此采集卡数模转换速率高达1 M/Hz，能够很好的满足系统的需要。

本系统使用的功率放大器和环形治疗器线圈是根据实验要求自行开发设计。该功率放大器输出频带宽且高，输出电压范围为－700～700 V，输出电流范围为0～15 A，能很好的适应线圈等感性负载。线圈则采用三个半径一定的线圈彼此串联实现，线圈的半径，匝数等都经过精密计算产生均匀磁场。以上特性能很好的满足各种病人的治疗及动物实验的需求，经过试运行能很好的协作运行，达到预期效果。

图1 系统硬件结构图

2 系统软件设计

本系统软件是一个具备实时控制、高频率电压波形输出、高速数据采集和显示、病人信息管理和报表打印于一体的管理系统。大部分功能是在研华提供的数据采集卡底层驱动下开发，因此能够很好的和现场设备进行实时通信。研华采集卡提供了多种编程方式:第一种是基于动态链接库文件ADSAPI32.DLL的编程;第二种是基于寄存器的编程;第三种是采用Active DAQ控件的方式。在编程语言方面也非常灵活，可采用多种设计语言如:C、C++、C#、VB等语言，并且为各种操作系统提供了相应的驱动程序。本软件系统在结合自身特色下，选择Windows XP操作系统，在Visual Basic 6.0平台下，采用基于动态链接库和基于Active DAQ控件两种方式结合的编程方式。其具体的软件结构如图2所示。

图2 软件结构图

系统在结构上可分为病人信息管理、用户管理、设备操作、报表打印、系统帮助六部分。在功能上首先是经过身份验证后进入主界面，然后可以进行病人信息的添加、删除、修改、查询，波形参数的设置和输出，设备的远程控制，数据的采集和虚拟示波显示，病人记录报表的打印等操作。下面将就其中几个关键部分进行介绍。

2.1 病人信息管理模块

该部分主要是记录病人的基本信息和治疗参数，自动编号保存到后台数据库里，以方便医生根据病人的基本信息提出具体的治疗方案。后台数据库软件采用Microsoft Access 2003，数据组包括用户组和病人组，病人组主要有日期、姓名、门诊号、病情记录、频率、波形等数据项，采用ADO方式进行数据库操作。为了更好的管理和操作数据库，系统设计了可视化且易操作的修改和查询界面，方便医生查看就诊记录和病人信息，另在查询到相应的病人信息后，可以选择打印“就诊记录”、“治疗结果”报表，以方便病人就诊和医生查询时需要。此模块的设计流程如图3所示。

图3 病人信息管理程序流程图

2.2 用户管理模块

为了设备及管理系统的安全，避免不相关人员误操作系统烧坏功率放大器等相关设备，设置了登录窗口和用户管理。系统为各种操作者设置了不同权限，分为超级管理员、设备管理员、医疗工作人员、普通用户。超级管理员权限最高，可以管理各级用户，使用系统全部功能，任何人都无法删除;设备管理员权限次之，管理次级用户，但无法删除全部数据库。医疗工作人员权限再次之，只能添加病人信息和相应的设备操作。普通用户只能查看病人的就诊记录和打印报表。用户管理界面还提供添加用户、删除用户、修改密码、设置权限等功能，不同用户使用相应的功能。

2.3 设备操作模块

（1） 输出参数设置界面

此部分实现的功能是通过数据采集卡的模拟量输出通道，输出电压幅值在－10～10 V、频率在0～1 000 Hz的正弦波、三角波、锯齿波、方波、脉冲波等，此信号经功率放大器放大一定比例使线圈产生一定强度的磁场。系统在开发方式上采用研华提供的设备底层驱动，使用相应的驱动函数和功能控件，结合VB常用的一些控件进行设计。在编写代码之前应先加载Adsapi32.lib库文件和Driver.h头文件，并添加相应的Active DAQ控件，此部分主要调用AdvAO模拟量输出控件，这些文件中声明了有关常量、变量、DLL函数及相应的结构，在设计中只需按要求使用即可而无需再次定义。其中关键过程函数“开始输出”按钮代码如下:

根据设备特性，在启动采集卡输出之前，必须先选择设备、打开设备，并初始化有关参数，需设置输出电压范围，电压的幅值，电压的频率等，以上程序都预先设置了相关值。为了更好的查看输出的波形，此部分同时还进行数据的采集并引用相应的控件进行虚拟示波显示，在回馈显示控件中可以验证输出电压的幅值大小和频率大小。此部分采用的是以下介绍的DMA数据采集方式，由采集卡一路模拟输入通道按一定的采样速率采集模拟输出通道的电压信号，以数组的形式保存到数组中，然后调用研华提供的AdvGraph显示控件，显示数组里面采集的数据，并且不断刷新显示。在功能上采用定时输出的方式，一旦到达定时时间，自动停止设备的输出和数据的采集显示。图4是实际输出时波形的回馈显示界面，输出波形的设置参数选择的是正弦波，电压幅值是5 V，频率是50 Hz，定时输出20分钟，从波形回馈显示部分可以看出正弦波的的幅值是5 V，一个周期的波形占用0.02 s，从而可知输出的电压波形和设置的波形一样，符合设计的要求。

图4 输出参数设置界面

（2） 设备远程控制界面

此部分主要是实现治疗仪环形治疗器的移动和床头的升降操作。环形治疗器和床头的移动是通过24 V直流电机驱动，在环形治疗器的轨道上装有三个行程开关，分别代表三个位置，它通过采集卡的数字量输入通道传递信号，一旦到达行程位置，界面就有对应的指示灯亮。由于采集卡的数字量输出是TTL电平信号，因此设计中用到了相应的转换电路使之变成了继电器输出信号。设备的具体的操作流程如5所示。

图5 设备操作流程图

（3） 数据采集显示界面

此部分主要是通过PCI－1712模拟量输入通道采集来自功率放大器反馈的电流电压数据和来自线圈内磁场传感器的数据，并将采集的数据线性化后保存到文件，同时将数据转存到数组中用显示控件实时显示波形。这部分的功能特点就相当于设计一个虚拟的数字示波器。由于采集数据需要很高的速率，因此设计上采用了DMA方式进行数据地传输，采用DMA实现数据交换，很好地将数据传输和系统控制分开，提高了数据传输速率，降低了处理器负担，提高了系统运行效率。其具体的设计流程如图6所示。

3 结束语

本套设备由兰州军区总医院负责研发，现在全套系统已调试完成，进入反复的试验阶段，运行结果表明，整个系统运行良好，能很好的满足各类病人治疗和动物实验的需要。设备输出的电压信号稳定且精度很高，使得系统可以长时间工作在正常状态，另外系统的功能升级很方便，只需修改软件程序即可，为用户节省大量的资金。总而言之，整个系统操作简捷、方便、可靠、智能化，符合现今医疗设备的要求。该系统将深受广大医疗工作者的欢迎，也将显示强有力的竞争力，在同时也将会给很多骨质疏松病人提供康复机会。

图6 DMA方式数据采集显示流程图

［1］王利强，彭月祥，宁可庆.计算机测控系统与数据采集卡应用［M］.北京:机械工业出版社，2007:209－237.

［2］范逸之，廖锦棋.Visual Basic与数字输入输出适配卡控制［M］.北京:清华大学出版社，2003:78－157.

［3］接浩南.基于xPC Target的采集卡驱动程序开发［J］.微计算机信息，2008，24（24）:26 －28.

［4］终汉如，罗建华.基于PCI－1712的高速数据采集系统设计［J］.科技广场，2009（11）:121－124.

［5］王俊，郑焱，王红，等.基于DMA的并行数字信号高速采集系统［J］.电子技术应用，2010，36（03）:42－44.

［6］刘景景.基于VB的控制系统数据采集卡的界面设计［J］.池州师专学报，2007，21（03）:26 －28.

［7］颜建峰，吴宁.基于PCI总线的DMA高速数据传输系统［J］.电子科技大学学报，2007，36（05）:858 －861.

［8］曹立学.多功能数据采集卡在炉温控制系统中的应用［J］.工业控制计算机，2007，20（10）:22－23.