基于FPGA的脈搏測量儀的設計 - 全文

脈搏信號中包含人體重要的生理病理信息，常作為心血管疾病診斷和治療的依據(jù)。隨著信息采集技術以及生物醫(yī)學的迅速發(fā)展，脈搏信號的獲取也有了新的方法。本文提出將脈搏信號實時顯示出來，為診治醫(yī)師提供足夠的病理信息，提高傳統(tǒng)脈診的效率。

本系統(tǒng)的脈搏信號顯示借助VGA接口來實現(xiàn)。以往對于VGA顯示的研究側(cè)重于VGA接口驅(qū)動技術，主要實現(xiàn)VGA靜態(tài)顯示[1-2]?；诖朔N現(xiàn)象，本文提出了利用雙口RAM來實現(xiàn)脈搏采集數(shù)據(jù)的存儲與讀取，從而可以實現(xiàn)實時顯示，結(jié)果證明此方案可以很好地滿足要求。同時，本系統(tǒng)充分利用了FPGA的硬件資源，取代了VGA的專用顯示芯片，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本，提高了系統(tǒng)的集成度。

1 總體設計

采集到的脈搏信號往往比較微弱，而且伴隨著很多噪聲。因此需要濾波、放大等處理電路進行預處理。脈搏信號屬于模擬信號，要想送到FPGA處理，需進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。FPGA將數(shù)字信號存儲在內(nèi)部RAM中，并利用Verilog HDL語言編寫VGA顯示控制模塊，驅(qū)動顯示器顯示脈搏波形。整個系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 信號處理電路

脈搏信號存在頻率低、信號弱、噪聲嚴重等問題。脈象頻譜分析表明，脈象能譜中99%的能量集中在10 Hz以下[3]，而且正常成人的脈搏跳動次數(shù)為60~100次/min，脈率是1~1.67 Hz。為了濾除噪聲，又不影響脈搏信號的能量，選擇0.8~20 Hz作為信號的頻帶寬度。因此，本設計的信號處理電路主要由前置放大器、高通濾波器、低通濾波器、主放大器組成。信號處理電路圖如圖2所示。

經(jīng)分析，信號處理電路的頻率帶寬為0.72 Hz~20 Hz，放大倍數(shù)為300多倍，可以完成功能要求。另外，實際中將R7用10 k?贅的電位器代替，從而實現(xiàn)放大倍數(shù)可調(diào)的目的，適用更多的場合。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換芯片主要完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。ADC0804是逐次比較型集成A/D轉(zhuǎn)換器，分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時間為100 μs，輸入電壓范圍為0~5 V，而且價格便宜、操作簡便?；谝陨咸攸c，本設計選用ADC0804作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。對經(jīng)過處理電路處理的脈搏信號進行采樣，并將得到的數(shù)字信號送到FPGA中。

2.3 FPGA控制

本系統(tǒng)的FPGA控制部分主要由分頻模塊、RAM、VGA控制模塊三部分組成。
根據(jù)電視原理有關VGA顯示的內(nèi)容可知，VGA顯示采用逐行掃描方式。掃描是從屏幕的左上方開始，從左到右、從上到下。本系統(tǒng)采用640×480@60 Hz顯示模式，其中60 Hz為場掃描頻率。對于一個場掃描頻率為60 Hz、分辨率為640×480的顯示模式，其典型的VGA時序表如表1所示。

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由表1可以計算出VGA驅(qū)動所需的時鐘頻率為800×552×60 Hz=25.2 MHz。而FPGA的時鐘頻率為50 MHz，因此需要一個分頻模塊，實現(xiàn)二分頻的功能。

VGA控制部分主要是產(chǎn)生行同步信號（Hsync）和場同步信號（Vsync），模擬VGA的顯示時序表。此模塊的設計思想是模擬逐行掃描的過程，每行800個像素點，掃完一行，接著掃第二行，一共有525行。因此，可以設計兩個計數(shù)器，行計數(shù)器（h_cnt）和列計數(shù)器（v_cnt）。h_cnt從0開始計數(shù)，計到799后歸零；v_cnt也從0開始計數(shù)，計到524后歸零，并且在h_cnt計到799后，v_cnt加1，clk_25m作為兩個計數(shù)器的觸發(fā)脈沖。當h_cnt=96時，Hsync=1；當h_cnt=0時，Hsync=0。類似的，當v_cnt=2時，Vsync=1；當v_cnt=0時，Vsync=0。從而實現(xiàn)了行同步信號和列同步信號的產(chǎn)生，并模擬了VGA顯示時序表。行計數(shù)器的程序流程圖如圖3所示。

顯示器是由一個個像素點組成的，如果是640×480的顯示模式，就意味著每行有640個像素點，每列有480個像素點，一共是307 200個像素點。圖像在顯示器上顯示，其實就是點亮相應的像素點。因此，基于這種理解，可以將脈搏波形當作一幅圖像，波形走過的地方就是相應的像素點被點亮了。因此對脈搏信號采樣，得到的就是相應的像素點。如果將采樣值作為列坐標，第幾次采樣作為行坐標，就可以確定一個像素點，繼而可以描繪出一幅脈搏波形圖。

通過上面的分析過程，提出一個解決方案，就是尋找一個存儲介質(zhì)，既可以讀，又可以寫。而FPGA正好有這樣的資源，于是采用RAM來充當這個存儲介質(zhì)。從VGA顯示原理已經(jīng)知道，VGA顯示采用的是逐行掃描的方式。如果將采樣值作為RAM的地址，也是列坐標，而將第幾次采樣作為相應的存儲單元存儲的內(nèi)容，同時也是行坐標。這樣既有了行坐標，又有了列坐標。當VGA掃描時，掃描到某一行，就到相應的RAM存儲單元取出其中的內(nèi)容，并判斷是否與當前掃描到的行坐標相同，如果相同則點亮此像素點，否則就不點亮。這就是RAM部分的設計思想。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 脈搏采集部分

將處理電路測試完畢，并連接上脈搏傳感器，對人體脈搏信號進行采集，利用示波器顯示脈搏波形，如圖4所示。可見該部分電路工作正常，并且能滿足設計要求。

圖中clk_50m為系統(tǒng)時鐘輸入，頻率為50 MHz；rst_n為復位信號，低電平有效；clk_25m為分頻器的輸出，頻率為25 MHz，用于VGA驅(qū)動部分；hsync為行同步信號，vsync為場同步信號；h_cnt為行計數(shù)器，v_cnt為列計數(shù)器?？梢园l(fā)現(xiàn)VGA驅(qū)動模塊完全可以正常工作。

3.3 系統(tǒng)結(jié)果

將各模塊調(diào)試完畢，組成整個系統(tǒng)，測試結(jié)果如圖6所示。

從圖6看出脈搏波形可以基本實現(xiàn)在VGA顯示器實時顯示的設計要求。通過分析脈搏波形在一定時間內(nèi)的變化趨勢以及脈搏的跳動次數(shù)，為評價測試者的心血管系統(tǒng)的健康狀況提供參考信息。

本系統(tǒng)利用了微壓脈搏傳感器對脈搏信號進行采集，通過處理電路進行濾波、放大以及A/D采樣，并利用FPGA驅(qū)動VGA顯示器顯示。實驗表明，此系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集人體脈搏信號，并且能正常、穩(wěn)定地顯示。

本系統(tǒng)利用RAM實現(xiàn)了采集波形的實時動態(tài)顯示，對實時性要求高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計具有很高的參考價值。同時，對本系統(tǒng)可以進行二次開發(fā)，將脈搏波形數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到醫(yī)療中心，以便為就診專家提供足夠的病理信息，在一定程度上提高了醫(yī)療救助的效率。

參考文獻
[1] 姜世杰，余紅英，洪永學，等.基于FPGA的VGA接口驅(qū)動技術[J].電子測試，2012（12）：29-32.
[2] 劉峰.基于FPGA的VGA控制器實現(xiàn)[J].電子元器件應用，2010，12（11）：33-35.
[3] 王國力，趙子嬰，白金星.PVdF壓電薄膜脈搏傳感器的研制[J].傳感技術學報，2004（4）：688-692.
[4] 吳友宇.模擬電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2010.