基于FPGA的紅外脈搏測量儀控制器的硬件實(shí)現(xiàn)

廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 胡廣洲

0 引言

隨著FPGA的逐漸普及，其在智能設(shè)備中的使用也在逐年增加。FPGA相關(guān)產(chǎn)品的智能化水平相比于單片機(jī)有了質(zhì)的飛躍。FPGA的體積更小，功能的可設(shè)計(jì)性更強(qiáng)，性價比更高，為此其在智能儀表和相關(guān)控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

數(shù)字式脈搏測量系統(tǒng)的特點(diǎn)是以FPGA控制器為核心，利用控制器的控制，加上其強(qiáng)大的運(yùn)算功能及在系統(tǒng)可編程的特點(diǎn)。數(shù)字顯示的脈搏控制電路的顯示不僅直觀，相比于同類產(chǎn)品測量精度更高，而且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時自動的監(jiān)測，所以獲得廣泛的應(yīng)用。

脈搏是人體活動最重要、最靈敏和最可靠的信源。科學(xué)技術(shù)在不斷的發(fā)展，人們已經(jīng)習(xí)慣了數(shù)字化及智能化的數(shù)字產(chǎn)品。特別是醫(yī)療儀器設(shè)備的數(shù)字化，讓一些不懂得醫(yī)術(shù)的人們，可以通過相應(yīng)參數(shù)的顯示，簡單判斷并了解自身的身體狀況。現(xiàn)代的數(shù)顯的便攜的醫(yī)療儀器的使用方便性是不言而喻的。

現(xiàn)在獲取脈搏的方式多采用壓力傳感器來獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測脈搏的目的?？萍嫉陌l(fā)展給人們的日常生活帶來了改變，特別是智能化的數(shù)顯電子產(chǎn)品已經(jīng)成為了家庭必備的用品。而市場上目前的家庭醫(yī)療電子產(chǎn)品中測量血壓的單一功能居多。對脈搏進(jìn)行智能監(jiān)測的相關(guān)儀器產(chǎn)品不多。本設(shè)計(jì)針對目前家用醫(yī)療設(shè)備的現(xiàn)狀及相應(yīng)的需求提出了一種新的設(shè)計(jì)方法，并改進(jìn)了同類產(chǎn)品的不足[1]。

1 實(shí)現(xiàn)方案

光電測量的原理是，通過動脈血不同的氧飽和度對透光性的影響來測量脈搏。人體被測位的血管的擴(kuò)張和收縮及血液量的變化，都是通過心臟的搏動引起的。脈搏信號的獲取，是通過對血濃容量的波動引起了光吸收量的變化而得到的。這個過程要排除非血液組織對光吸收量的影響。

通過對采集信號光電轉(zhuǎn)換以及波形處理，對信號進(jìn)行計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)脈搏的測量。

氧合血紅蛋白〔HbO2〕和還原血紅蛋白（HB）對光普的吸收特點(diǎn)如圖1所示[2]。

鑒于人體組織會對測量數(shù)據(jù)的精度有一定影響。為此在對光波的波長進(jìn)行選擇時，要求氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對這一波段的吸光能力要強(qiáng)于非血液組織。但是，也不能選擇吸光系數(shù)太大的波段，如果吸光系數(shù)太大，透射光會極弱，不容易檢測環(huán)境周圍光的變化，有可能對測量的數(shù)據(jù)造成大的偏差。

由于氧合血紅蛋白Hb02和還原氧合蛋白Hb對600nm以下波長光的吸光系數(shù)過大，不適宜權(quán)飽和度檢測．從圖1看到該光波波長應(yīng)該在805nm左右，要做到理論上絕對相等是很難實(shí)現(xiàn)的。而該點(diǎn)的吸光系數(shù)隨波長變化幅度比較大，這樣當(dāng)發(fā)光管存在個體差異時，很不利于調(diào)試替換，而在900—950nm這個波段，兩曲線變化緩慢且接近重合，所以一般將波長選在此波段。光波長選在650nm附近，因?yàn)樵谠摬ǘ翁?，光對氧合血紅蛋白HbO2和還原血紅蛋白Hb吸收系數(shù)之差最大。本設(shè)計(jì)選用660nm紅光和905nm紅外光的兩種單色光[3]。

圖1 紅光和紅外光吸收曲線

反射式血氧飽和度檢測系統(tǒng)是將反射式的傳感器貼在人體表面，入射光經(jīng)過人體組織后，由于組織對光的吸收和散射作用，從與入射光位于同一表面的接收部分收集經(jīng)過了血管床中的血流調(diào)制的反射光信號，經(jīng)過信號的放大、分離、有源濾波后，削抖。在FPGA的控制下通過數(shù)碼管正確的顯示。

2 控制器的結(jié)構(gòu)

此系統(tǒng)以FPGA為核心控制器件。硬件電路共分四部分：脈搏信號的采集、處理、FPGA數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及數(shù)碼顯示串行通信部分?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 脈搏信號數(shù)據(jù)的獲取及處理

用紅外線傳感器來實(shí)現(xiàn)對脈搏信號的獲取，紅外傳感器主要是通過對光源的控制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。

對光源的控制電路如圖3所示?？刂齐娐纺軌虍a(chǎn)生序列脈沖，傳感器上的波長為660nm和905nm的發(fā)光二極管就會被驅(qū)動。方波信號A（頻率為572Hz、占空比為1/6）是由方波發(fā)生器產(chǎn)生的，方波信號A經(jīng)過二分頻之后會產(chǎn)生信號C。之后信號C和信號A共同控制再產(chǎn)生信號D和信號E，然后由信號D和信號E通過相應(yīng)的驅(qū)動器來控制相對應(yīng)的發(fā)光二極管，使得二極管按照相應(yīng)的時序進(jìn)行發(fā)光和熄滅。

圖2 脈搏自動測量系統(tǒng)框圖

圖3 光源控制和驅(qū)動電路

2.2 脈搏信號的放大

通過動脈血管床的光信號，會被相應(yīng)傳感器接收，然后將其轉(zhuǎn)換成需要的電信號，該電信號中含有紅外光和紅光及暗光的信息。而且此電信號是比較微弱的，為此需要先用一個放大電路對其進(jìn)行放大處理。相應(yīng)的放大電路需要具有比較高的共模干擾抑制能力。該測量放大電路具有輸入阻抗高，失調(diào)電壓低，放大倍數(shù)穩(wěn)定，輸出阻抗低等特點(diǎn)。為此，該結(jié)構(gòu)的放大電路常常會被應(yīng)用在醫(yī)學(xué)的測量，或者需要對微弱信號進(jìn)行處理的相應(yīng)場合［4］。

為了避免外界的光對系統(tǒng)的影響，本設(shè)計(jì)中采用了一種比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，采用同步檢波的方法，對正/負(fù)極性進(jìn)行切換的電路。經(jīng)過這種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)之后，運(yùn)用傳感器控制模塊所產(chǎn)生的相應(yīng)信號來控制模擬開關(guān)的閉合和斷開，進(jìn)而使得相應(yīng)信號能夠分成紅光和紅外光。之后用低通濾波和高通濾波對這兩路信號進(jìn)一步進(jìn)行處理。電路如圖4所示。

圖4 信號放大電路

3 控制器電路設(shè)計(jì)

3.1 FPGA核心芯片的選擇

FPGA能夠?qū)刂破飨到y(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行管理，并完成對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的任務(wù)。FPGA通過對相應(yīng)接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，脈搏數(shù)字也可由數(shù)碼管直接顯示。本系統(tǒng)采用的FPGA是Altera公司生產(chǎn)的，采用了TSMC的28-nm低功耗(28LP)工藝進(jìn)行開發(fā)的Cyclone VSoc系列的5CSEMA5F31C6N。這款芯片有如下特點(diǎn)：

總功耗比Cyclone IV GX FPGA低40%。單通道的功耗在5Gbps時僅有88mW。

在功耗不到1.8W時，相應(yīng)處理器的性能超過4,000MIPS[5]。

此款FPGA為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。

3.2 FPGA配置電路的設(shè)計(jì)

為了使得FPGA實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理的能力，本設(shè)計(jì)通過EPCS128作為FPGA的配置芯片來完成相應(yīng)的配置工作。

EPCS128是串行配置器件，在可編程工業(yè)領(lǐng)域中是一款低成本的配置芯片。

存儲器容量達(dá)128Mbit，工作電壓范圍2.7-3.6V。配置使用AS模式（主動串行）。

系統(tǒng)重新上電之后必須重新進(jìn)行配置。配置完成之后，I/O引腿和寄存器就會被初始化，之后就會進(jìn)入用戶狀態(tài)。FPGA配置的連接圖如圖5所示。

圖5 FPGA配置的連接圖

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)脈搏的自動測量和實(shí)時顯示的功能要求，能夠較為準(zhǔn)確地測量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)電路簡單，占用的空間比較小，滿足了便攜要求，能夠較為方便的為用戶及時提供自己的心率數(shù)據(jù)。

從測試情況看，系統(tǒng)基本滿足預(yù)期設(shè)想正常工作。安全性更高，具有推廣價值。