基于FPGA的脉搏测量仪的设计 - 全文

脉搏信号中包含人体重要的生理病理信息，常作为心血管疾病诊断和治疗的依据。随着信息采集技术以及生物医学的迅速发展，脉搏信号的获取也有了新的方法。本文提出将脉搏信号实时显示出来，为诊治医师提供足够的病理信息，提高传统脉诊的效率。

本系统的脉搏信号显示借助VGA接口来实现。以往对于VGA显示的研究侧重于VGA接口驱动技术，主要实现VGA静态显示[1-2]。基于此种现象，本文提出了利用双口RAM来实现脉搏采集数据的存储与读取，从而可以实现实时显示，结果证明此方案可以很好地满足要求。同时，本系统充分利用了FPGA的硬件资源，取代了VGA的专用显示芯片，降低了系统的开发成本，提高了系统的集成度。

1 总体设计

采集到的脉搏信号往往比较微弱，而且伴随着很多噪声。因此需要滤波、放大等处理电路进行预处理。脉搏信号属于模拟信号，要想送到FPGA处理，需进行模/数转换。FPGA将数字信号存储在内部RAM中，并利用Verilog HDL语言编写VGA显示控制模块，驱动显示器显示脉搏波形。整个系统的原理框图如图1所示。

2 系统实现

2.1 信号处理电路

脉搏信号存在频率低、信号弱、噪声严重等问题。脉象频谱分析表明，脉象能谱中99%的能量集中在10 Hz以下[3]，而且正常成人的脉搏跳动次数为60~100次/min，脉率是1~1.67 Hz。为了滤除噪声，又不影响脉搏信号的能量，选择0.8~20 Hz作为信号的频带宽度。因此，本设计的信号处理电路主要由前置放大器、高通滤波器、低通滤波器、主放大器组成。信号处理电路图如图2所示。

经分析，信号处理电路的频率带宽为0.72 Hz~20 Hz，放大倍数为300多倍，可以完成功能要求。另外，实际中将R7用10 k?赘的电位器代替，从而实现放大倍数可调的目的，适用更多的场合。

2.2 A/D转换

A/D转换芯片主要完成模拟信号到数字信号的转换。ADC0804是逐次比较型集成A/D转换器，分辨率为8位，转换时间为100 μs，输入电压范围为0~5 V，而且价格便宜、操作简便。基于以上特点，本设计选用ADC0804作为A/D转换芯片。对经过处理电路处理的脉搏信号进行采样，并将得到的数字信号送到FPGA中。

2.3 FPGA控制

本系统的FPGA控制部分主要由分频模块、RAM、VGA控制模块三部分组成。
根据电视原理有关VGA显示的内容可知，VGA显示采用逐行扫描方式。扫描是从屏幕的左上方开始，从左到右、从上到下。本系统采用640×480@60 Hz显示模式，其中60 Hz为场扫描频率。对于一个场扫描频率为60 Hz、分辨率为640×480的显示模式，其典型的VGA时序表如表1所示。

 

由表1可以计算出VGA驱动所需的时钟频率为800×552×60 Hz=25.2 MHz。而FPGA的时钟频率为50 MHz，因此需要一个分频模块，实现二分频的功能。

VGA控制部分主要是产生行同步信号（Hsync）和场同步信号（Vsync），模拟VGA的显示时序表。此模块的设计思想是模拟逐行扫描的过程，每行800个像素点，扫完一行，接着扫第二行，一共有525行。因此，可以设计两个计数器，行计数器（h_cnt）和列计数器（v_cnt）。h_cnt从0开始计数，计到799后归零；v_cnt也从0开始计数，计到524后归零，并且在h_cnt计到799后，v_cnt加1，clk_25m作为两个计数器的触发脉冲。当h_cnt=96时，Hsync=1；当h_cnt=0时，Hsync=0。类似的，当v_cnt=2时，Vsync=1；当v_cnt=0时，Vsync=0。从而实现了行同步信号和列同步信号的产生，并模拟了VGA显示时序表。行计数器的程序流程图如图3所示。

显示器是由一个个像素点组成的，如果是640×480的显示模式，就意味着每行有640个像素点，每列有480个像素点，一共是307 200个像素点。图像在显示器上显示，其实就是点亮相应的像素点。因此，基于这种理解，可以将脉搏波形当作一幅图像，波形走过的地方就是相应的像素点被点亮了。因此对脉搏信号采样，得到的就是相应的像素点。如果将采样值作为列坐标，第几次采样作为行坐标，就可以确定一个像素点，继而可以描绘出一幅脉搏波形图。

通过上面的分析过程，提出一个解决方案，就是寻找一个存储介质，既可以读，又可以写。而FPGA正好有这样的资源，于是采用RAM来充当这个存储介质。从VGA显示原理已经知道，VGA显示采用的是逐行扫描的方式。如果将采样值作为RAM的地址，也是列坐标，而将第几次采样作为相应的存储单元存储的内容，同时也是行坐标。这样既有了行坐标，又有了列坐标。当VGA扫描时，扫描到某一行，就到相应的RAM存储单元取出其中的内容，并判断是否与当前扫描到的行坐标相同，如果相同则点亮此像素点，否则就不点亮。这就是RAM部分的设计思想。

3 系统调试

3.1 脉搏采集部分

将处理电路测试完毕，并连接上脉搏传感器，对人体脉搏信号进行采集，利用示波器显示脉搏波形，如图4所示。可见该部分电路工作正常，并且能满足设计要求。

图中clk_50m为系统时钟输入，频率为50 MHz；rst_n为复位信号，低电平有效；clk_25m为分频器的输出，频率为25 MHz，用于VGA驱动部分；hsync为行同步信号，vsync为场同步信号；h_cnt为行计数器，v_cnt为列计数器。可以发现VGA驱动模块完全可以正常工作。

3.3 系统结果

将各模块调试完毕，组成整个系统，测试结果如图6所示。

从图6看出脉搏波形可以基本实现在VGA显示器实时显示的设计要求。通过分析脉搏波形在一定时间内的变化趋势以及脉搏的跳动次数，为评价测试者的心血管系统的健康状况提供参考信息。

本系统利用了微压脉搏传感器对脉搏信号进行采集，通过处理电路进行滤波、放大以及A/D采样，并利用FPGA驱动VGA显示器显示。实验表明，此系统能够实时采集人体脉搏信号，并且能正常、稳定地显示。

本系统利用RAM实现了采集波形的实时动态显示，对实时性要求高的数据采集系统设计具有很高的参考价值。同时，对本系统可以进行二次开发，将脉搏波形数据通过无线网络发送到医疗中心，以便为就诊专家提供足够的病理信息，在一定程度上提高了医疗救助的效率。

参考文献
[1] 姜世杰，余红英，洪永学，等.基于FPGA的VGA接口驱动技术[J].电子测试，2012（12）：29-32.
[2] 刘峰.基于FPGA的VGA控制器实现[J].电子元器件应用，2010，12（11）：33-35.
[3] 王国力，赵子婴，白金星.PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制[J].传感技术学报，2004（4）：688-692.
[4] 吴友宇.模拟电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2010.