基于FPGA的脈搏信號(hào)VGA顯示設(shè)計(jì)

郭倫壹 劉壹心

摘 要：本文介紹了一個(gè)以FPGA板卡EGO1為處理核心的脈搏信號(hào)VGA顯示裝置。本系統(tǒng)利用PulseSensor脈搏心率傳感器得到原始脈搏信號(hào)，使用工頻濾波、低通濾波對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。A/D采集數(shù)據(jù)后存儲(chǔ)在RAM區(qū)域，在通過尋點(diǎn)映射的方法將RAM中的數(shù)據(jù)輸入只讀存儲(chǔ)器ROM中，最后將波形數(shù)據(jù)在128*256個(gè)像素點(diǎn)的VGA區(qū)域中顯示。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脈搏波形的功能，對(duì)后續(xù)病理分析有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：工頻濾波;低通濾波;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);VGA顯示

現(xiàn)代社會(huì)實(shí)時(shí)關(guān)注個(gè)體健康狀態(tài)已經(jīng)成為人們的日常需求[1]。脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而變化的信號(hào)，在一定程度上反映著人體的心血管系統(tǒng)的生理信息。目前人們普遍采取的方法是到醫(yī)院觀測(cè)脈搏波形，為了使人們能在家中就能方便的觀測(cè)本人的脈搏波形，本文基于FPGA處理板卡EGO1，使用了一種指尖式[2]的脈搏心率傳感器PulseSensor，設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)脈搏信號(hào)VGA顯示器。經(jīng)過驗(yàn)證具有使用方便，即測(cè)即察等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的處理核心是FPGA，通過FPGA技術(shù)來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、VGA顯示等功能。脈搏信號(hào)的頻率范圍在05Hz-100Hz，而90%信號(hào)頻譜能量則集中在0.25Hz-35Hz之間[3]。為了取出噪聲干擾以及肌電干擾，本系統(tǒng)在硬件處理中采用了工頻濾波與低通放大相結(jié)合的處理方法，能對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行有效的降噪。

軟件處理部分的實(shí)現(xiàn)使用verilog語言編寫，將模-數(shù)轉(zhuǎn)換后的脈搏波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM內(nèi)部存儲(chǔ)器中，再通過只讀存儲(chǔ)器ROM將數(shù)據(jù)讀入，最后將數(shù)據(jù)輸入VGA控制器并在屏幕上顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 脈搏信號(hào)采集模塊

原始脈搏信號(hào)的采集使用開源的脈搏心率測(cè)量的光電反射式模擬傳感器PulseSensor。該傳感器有三個(gè)引腳：脈搏信號(hào)輸出OUT、5V（或3.3V）電源輸入、GND地。該傳感器有著體積輕便、便于攜帶、輸出脈搏波形失真度小、便于二次開發(fā)、佩戴方便等的優(yōu)點(diǎn)。該傳感器采用光電容積脈搏波描記法設(shè)計(jì)。光電容積脈搏波描記法（Photo Plethysmo Graphy）是借光電手段在活體組織中檢測(cè)血液容積變化的一種無創(chuàng)檢測(cè)方法[4]。利用心臟跳動(dòng)時(shí)人體心血管系統(tǒng)會(huì)隨之搏動(dòng)從而使一些血管組織的透光率發(fā)生不同變化的性質(zhì)來測(cè)量脈搏。傳感器上包含濾波器和放大器，使采集的脈搏信號(hào)放大300倍，使微弱信號(hào)放大以便后續(xù)處理。

2.2 濾波模塊

2.2.1 工頻濾波

工頻干擾是一種由交流電系統(tǒng)引起的干擾，且工頻干擾的幅值與正常脈搏信號(hào)的幅值相近，會(huì)對(duì)正常系統(tǒng)監(jiān)測(cè)產(chǎn)生一些微小的干擾。因此，為了抑制工頻干擾，脈搏信號(hào)采集裝置后接50Hz工頻濾波器。本系統(tǒng)根據(jù)所需頻率響應(yīng)配置零點(diǎn)和極點(diǎn)，反向設(shè)計(jì)帶陷模擬濾波器。

2.2.2 低通濾波

肌電干擾是由于肌肉顫動(dòng)，身體輕微晃動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，這種干擾是不規(guī)則的噪聲信號(hào)。由于存在著一定的肌電干擾，為了將其抑制，工頻濾波器后接100Hz模擬低通濾波器，使脈搏信號(hào)的有效頻譜特征都得以保留，干擾信號(hào)被濾掉。模擬低通濾波器為同相輸入二階壓控電源型巴特沃斯有源濾波器。輸入阻抗很高，輸出阻抗很低。這有利于脈搏信號(hào)的完整保留，且其電路性能也更加穩(wěn)定。濾波器技術(shù)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為截止頻率f0：100.097HZ，系統(tǒng)增益Aup：3.08，系統(tǒng)工作Q值：0.65。

2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[5]、顯示和傳輸模塊

本系統(tǒng)處理核心選擇Xilinx公司開發(fā)設(shè)計(jì)的Artix-7系列FPGA芯片板卡EGO1，F(xiàn)PGA邏輯單元數(shù)量可達(dá)33，280，RAM的容量得到大幅度提升，能完全保證系統(tǒng)的性能指標(biāo)。在FPGA系統(tǒng)內(nèi)部建立有RAM、ROM存儲(chǔ)模塊、VGA顯示模塊?？蓪?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示脈搏信號(hào)波形。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換采用AD9280模-數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。模擬脈搏信號(hào)經(jīng)過A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以方便后續(xù)處理。A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9280是一個(gè)8bit、32MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用多級(jí)流水線架構(gòu)保證了32MSPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)率下全溫度范圍內(nèi)無失碼以及低功耗的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，能完整的保留脈搏信號(hào)的數(shù)字特征，具有高速和靈活的特點(diǎn)，可以滿足系統(tǒng)對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)處理的要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在軟件設(shè)計(jì)中，要充分考慮系統(tǒng)資源的合理利用和脈搏信號(hào)的無失真?zhèn)鬏敚鶕?jù)奈奎斯特采樣定律，采樣率為輸入信號(hào)頻率的2倍就可以獲得完整的數(shù)據(jù)波形。本系統(tǒng)的采樣率為256HZ。AD輸入數(shù)據(jù)進(jìn)入到RAM存儲(chǔ)區(qū)中，8位AD數(shù)據(jù)有256個(gè)不同的點(diǎn)，本系統(tǒng)通過尋點(diǎn)轉(zhuǎn)換將其映射到對(duì)應(yīng)的VGA存儲(chǔ)器ROM中去。VGA顯示區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)有128*256個(gè)像素點(diǎn)的存儲(chǔ)區(qū)，稱之為圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。一個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)如果是0，則表明這個(gè)像素點(diǎn)被關(guān)閉;如果是1，則表明這個(gè)像素點(diǎn)在屏幕的相應(yīng)位置被顯示。通過此方法可將脈搏波形在VGA屏幕上顯示。

4 結(jié)語

心血管的健康問題關(guān)乎我們每一個(gè)人，因此及時(shí)有效的觀測(cè)脈搏波形對(duì)相關(guān)疾病的防治顯得非常重要。本文設(shè)計(jì)的基于FPGA的脈搏波形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置對(duì)提升人們的生活質(zhì)量，保障居家安全有著顯著的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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