基于FPGA的脈搏信號VGA顯示設計

郭倫壹 劉壹心

摘 要：本文介紹了一個以FPGA板卡EGO1為處理核心的脈搏信號VGA顯示裝置。本系統利用PulseSensor脈搏心率傳感器得到原始脈搏信號，使用工頻濾波、低通濾波對信號進行預處理。A/D采集數據后存儲在RAM區域，在通過尋點映射的方法將RAM中的數據輸入只讀存儲器ROM中，最后將波形數據在128*256個像素點的VGA區域中顯示。本系統實現了實時監測脈搏波形的功能，對后續病理分析有著重要的應用價值。

關鍵詞：工頻濾波;低通濾波;實時監測;VGA顯示

現代社會實時關注個體健康狀態已經成為人們的日常需求[1]。脈搏是隨心臟的搏動而變化的信號，在一定程度上反映著人體的心血管系統的生理信息。目前人們普遍采取的方法是到醫院觀測脈搏波形，為了使人們能在家中就能方便的觀測本人的脈搏波形，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，設計了一種實時脈搏信號VGA顯示器。經過驗證具有使用方便，即測即察等應用優勢。

1 系統方案設計

本系統的處理核心是FPGA，通過FPGA技術來進行A/D轉換、數據存儲、VGA顯示等功能。脈搏信號的頻率范圍在05Hz-100Hz，而90%信號頻譜能量則集中在0.25Hz-35Hz之間[3]。為了取出噪聲干擾以及肌電干擾，本系統在硬件處理中采用了工頻濾波與低通放大相結合的處理方法，能對脈搏信號進行有效的降噪。

軟件處理部分的實現使用verilog語言編寫，將模-數轉換后的脈搏波形數據存儲在RAM內部存儲器中，再通過只讀存儲器ROM將數據讀入，最后將數據輸入VGA控制器并在屏幕上顯示。

2 系統硬件設計與實現

2.1 脈搏信號采集模塊

原始脈搏信號的采集使用開源的脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器PulseSensor。該傳感器有三個引腳：脈搏信號輸出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、佩戴方便等的優點。該傳感器采用光電容積脈搏波描記法設計。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血液容積變化的一種無創檢測方法[4]。利用心臟跳動時人體心血管系統會隨之搏動從而使一些血管組織的透光率發生不同變化的性質來測量脈搏。傳感器上包含濾波器和放大器，使采集的脈搏信號放大300倍，使微弱信號放大以便后續處理。

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引起的干擾，且工頻干擾的幅值與正常脈搏信號的幅值相近，會對正常系統監測產生一些微小的干擾。因此，為了抑制工頻干擾，脈搏信號采集裝置后接50Hz工頻濾波器。本系統根據所需頻率響應配置零點和極點，反向設計帶陷模擬濾波器。

2.2.2 低通濾波

肌電干擾是由于肌肉顫動，身體輕微晃動而產生的噪聲信號，這種干擾是不規則的噪聲信號。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，使脈搏信號的有效頻譜特征都得以保留，干擾信號被濾掉。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。這有利于脈搏信號的完整保留，且其電路性能也更加穩定。濾波器技術設計技術指標為截止頻率f0：100.097HZ，系統增益Aup：3.08，系統工作Q值：0.65。

2.3 數據轉換[5]、顯示和傳輸模塊

本系統處理核心選擇Xilinx公司開發設計的Artix-7系列FPGA芯片板卡EGO1，FPGA邏輯單元數量可達33，280，RAM的容量得到大幅度提升，能完全保證系統的性能指標。在FPGA系統內部建立有RAM、ROM存儲模塊、VGA顯示模塊。可實時監測顯示脈搏信號波形。數據轉換采用AD9280模-數轉換芯片。模擬脈搏信號經過A/D模塊轉換為數字數據以方便后續處理。A/D轉換芯片AD9280是一個8bit、32MSPS模數轉換器，使用多級流水線架構保證了32MSPS數據轉換數率下全溫度范圍內無失碼以及低功耗的高速數據轉換，能完整的保留脈搏信號的數字特征，具有高速和靈活的特點，可以滿足系統對信號實時處理的要求。

3 系統軟件設計與實現

在軟件設計中，要充分考慮系統資源的合理利用和脈搏信號的無失真傳輸，根據奈奎斯特采樣定律，采樣率為輸入信號頻率的2倍就可以獲得完整的數據波形。本系統的采樣率為256HZ。AD輸入數據進入到RAM存儲區中，8位AD數據有256個不同的點，本系統通過尋點轉換將其映射到對應的VGA存儲器ROM中去。VGA顯示區域為一個有128*256個像素點的存儲區，稱之為圖像數據存儲器。一個像素點的數據如果是0，則表明這個像素點被關閉;如果是1，則表明這個像素點在屏幕的相應位置被顯示。通過此方法可將脈搏波形在VGA屏幕上顯示。

4 結語

心血管的健康問題關乎我們每一個人，因此及時有效的觀測脈搏波形對相關疾病的防治顯得非常重要。本文設計的基于FPGA的脈搏波形實時監測裝置對提升人們的生活質量，保障居家安全有著顯著的應用價值。

參考文獻：

[1]丁有得，王倩，劉洋，鞏萍萍，佘錦雄.一種家用便攜式心電監測儀的設計[J].醫療裝備，2019，32（18）：17-18.

[2]余江軍，周亮，劉朝暉，李治國，單秋莎.基于指尖視頻圖像的自適應脈搏信號提取算法研究[J/OL].生物醫學工程學雜志，1-8.

[3]施翔勻.基于心電信號的疲勞駕駛診斷[D].北方工業大學，2019.

[4]陳斌.光電容積脈搏波描記法原理、應用及其電路設計[J].電子技術與軟件工程，2014.

[5]陳云，韋天煥.欠采樣與過采樣技術研究[J].信息通信，2015（04）：18-19.