郭伦壹 刘壹心

摘 要：本文介绍了一个以FPGA板卡EGO1为处理核心的脉搏信号VGA显示装置。本系统利用PulseSensor脉搏心率传感器得到原始脉搏信号，使用工频滤波、低通滤波对信号进行预处理。A/D采集数据后存储在RAM区域，在通过寻点映射的方法将RAM中的数据输入只读存储器ROM中，最后将波形数据在128*256个像素点的VGA区域中显示。本系统实现了实时监测脉搏波形的功能，对后续病理分析有着重要的应用价值。

关键词：工频滤波;低通滤波;实时监测;VGA显示

现代社会实时关注个体健康状态已经成为人们的日常需求[1]。脉搏是随心脏的搏动而变化的信号，在一定程度上反映着人体的心血管系统的生理信息。目前人们普遍采取的方法是到医院观测脉搏波形，为了使人们能在家中就能方便的观测本人的脉搏波形，本文基于FPGA处理板卡EGO1，使用了一种指尖式[2]的脉搏心率传感器PulseSensor，设计了一种实时脉搏信号VGA显示器。经过验证具有使用方便，即测即察等应用优势。

1 系统方案设计

本系统的处理核心是FPGA，通过FPGA技术来进行A/D转换、数据存储、VGA显示等功能。脉搏信号的频率范围在05Hz-100Hz，而90%信号频谱能量则集中在0.25Hz-35Hz之间[3]。为了取出噪声干扰以及肌电干扰，本系统在硬件处理中采用了工频滤波与低通放大相结合的处理方法，能对脉搏信号进行有效的降噪。

软件处理部分的实现使用verilog语言编写，将模-数转换后的脉搏波形数据存储在RAM内部存储器中，再通过只读存储器ROM将数据读入，最后将数据输入VGA控制器并在屏幕上显示。

2 系统硬件设计与实现

2.1 脉搏信号采集模块

原始脉搏信号的采集使用开源的脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器PulseSensor。该传感器有三个引脚：脉搏信号输出OUT、5V（或3.3V）电源输入、GND地。该传感器有着体积轻便、便于携带、输出脉搏波形失真度小、便于二次开发、佩戴方便等的优点。该传感器采用光电容积脉搏波描记法设计。光电容积脉搏波描记法（Photo Plethysmo Graphy）是借光电手段在活体组织中检测血液容积变化的一种无创检测方法[4]。利用心脏跳动时人体心血管系统会随之搏动从而使一些血管组织的透光率发生不同变化的性质来测量脉搏。传感器上包含滤波器和放大器，使采集的脉搏信号放大300倍，使微弱信号放大以便后续处理。

2.2 滤波模块

2.2.1 工频滤波

工频干扰是一种由交流电系统引起的干扰，且工频干扰的幅值与正常脉搏信号的幅值相近，会对正常系统监测产生一些微小的干扰。因此，为了抑制工频干扰，脉搏信号采集装置后接50Hz工频滤波器。本系统根据所需频率响应配置零点和极点，反向设计带陷模拟滤波器。

2.2.2 低通滤波

肌电干扰是由于肌肉颤动，身体轻微晃动而产生的噪声信号，这种干扰是不规则的噪声信号。由于存在着一定的肌电干扰，为了将其抑制，工频滤波器后接100Hz模拟低通滤波器，使脉搏信号的有效频谱特征都得以保留，干扰信号被滤掉。模拟低通滤波器为同相输入二阶压控电源型巴特沃斯有源滤波器。输入阻抗很高，输出阻抗很低。这有利于脉搏信号的完整保留，且其电路性能也更加稳定。滤波器技术设计技术指标为截止频率f0：100.097HZ，系统增益Aup：3.08，系统工作Q值：0.65。

2.3 数据转换[5]、显示和传输模块

本系統处理核心选择Xilinx公司开发设计的Artix-7系列FPGA芯片板卡EGO1，FPGA逻辑单元数量可达33，280，RAM的容量得到大幅度提升，能完全保证系统的性能指标。在FPGA系统内部建立有RAM、ROM存储模块、VGA显示模块。可实时监测显示脉搏信号波形。数据转换采用AD9280模-数转换芯片。模拟脉搏信号经过A/D模块转换为数字数据以方便后续处理。A/D转换芯片AD9280是一个8bit、32MSPS模数转换器，使用多级流水线架构保证了32MSPS数据转换数率下全温度范围内无失码以及低功耗的高速数据转换，能完整的保留脉搏信号的数字特征，具有高速和灵活的特点，可以满足系统对信号实时处理的要求。

3 系统软件设计与实现

在软件设计中，要充分考虑系统资源的合理利用和脉搏信号的无失真传输，根据奈奎斯特采样定律，采样率为输入信号频率的2倍就可以获得完整的数据波形。本系统的采样率为256HZ。AD输入数据进入到RAM存储区中，8位AD数据有256个不同的点，本系统通过寻点转换将其映射到对应的VGA存储器ROM中去。VGA显示区域为一个有128*256个像素点的存储区，称之为图像数据存储器。一个像素点的数据如果是0，则表明这个像素点被关闭;如果是1，则表明这个像素点在屏幕的相应位置被显示。通过此方法可将脉搏波形在VGA屏幕上显示。

4 结语

心血管的健康问题关乎我们每一个人，因此及时有效的观测脉搏波形对相关疾病的防治显得非常重要。本文设计的基于FPGA的脉搏波形实时监测装置对提升人们的生活质量，保障居家安全有着显著的应用价值。

参考文献：

[1]丁有得，王倩，刘洋，巩萍萍，佘锦雄.一种家用便携式心电监测仪的设计[J].医疗装备，2019，32（18）：17-18.

[2]余江军，周亮，刘朝晖，李治国，单秋莎.基于指尖视频图像的自适应脉搏信号提取算法研究[J/OL].生物医学工程学杂志，1-8.

[3]施翔匀.基于心电信号的疲劳驾驶诊断[D].北方工业大学，2019.

[4]陈斌.光电容积脉搏波描记法原理、应用及其电路设计[J].电子技术与软件工程，2014.

[5]陈云，韦天焕.欠采样与过采样技术研究[J].信息通信，2015（04）：18-19.