摘  要： 設(shè)計(jì)了基于FPGA的心音采集系統(tǒng),，該系統(tǒng)包括高性能的心音傳感器,、預(yù)處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和串口通信電路,。傳感器將心音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),，通過(guò)預(yù)處理電路的放大和濾波，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路送到FPGA,，F(xiàn)PGA把現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)可靠地傳遞給PC,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能無(wú)創(chuàng),、快速,、廉價(jià)地采集心音信號(hào)。
關(guān)鍵詞： 心音信號(hào),；A/D,；FPGA

　目前，心血管疾病的診斷主要分為無(wú)創(chuàng)診斷和有創(chuàng)診斷法兩種,。其中,，無(wú)創(chuàng)診斷包括心電圖、動(dòng)態(tài)心電圖和心音圖,、超聲心動(dòng)圖以及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)[1],；有創(chuàng)診斷主要指動(dòng)脈造影技術(shù)，但是會(huì)帶來(lái)并發(fā)癥,。非常嚴(yán)重的心血管疾病并不能夠通過(guò)心電圖做出正確診斷,，而早期的心臟病變會(huì)引起心音信號(hào)成分的變化，通過(guò)心音圖分析心音成分以及雜音,，能對(duì)早期心血管疾病做出正確診斷,。心音信號(hào)是一種非常微弱的隨機(jī)信號(hào),，在采集過(guò)程中不可避免地引入了噪聲。韋哲等人設(shè)計(jì)了基于聲卡的心音信號(hào)采集與處理系統(tǒng)[2],，該系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)資源,，但是電腦本身存在較大噪聲，采集到的信號(hào)信噪比較低,。童英華設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的心音,、脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)[3]， 但是單片機(jī)存在傳輸速率低的問(wèn)題,。本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的心音采集系統(tǒng),，該系統(tǒng)采集到的心音信噪比較高，適宜后續(xù)研究,。
1 采集系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)
　本采集系統(tǒng)框圖如圖1所示,，該系統(tǒng)由心音傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路,、A/D轉(zhuǎn)換電路以及PC等構(gòu)成,。其中，信號(hào)預(yù)處理電路首先對(duì)心音信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大,，然后經(jīng)過(guò)帶通濾波（由低通濾波電路和高通濾波電路構(gòu)成）,，最后經(jīng)過(guò)后級(jí)放大電路處理。帶通濾波電路可以通過(guò)開(kāi)關(guān)控制,，前級(jí)放大的輸出可以通過(guò)開(kāi)關(guān)控制直接跳過(guò)帶通濾波電路直接到后級(jí)放大電路,，由于前級(jí)信號(hào)只將心音信號(hào)放大到幾百毫伏，信號(hào)仍然很弱,，因此再經(jīng)過(guò)后級(jí)放大電路把心音信號(hào)放大至+5 V范圍內(nèi),，然后輸出到A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換電路采用8 bit,、32 MS/s模數(shù)轉(zhuǎn)換單芯片AD9280,，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接傳送給FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)串口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到PC,，實(shí)現(xiàn)整個(gè)采集系統(tǒng),。

2 采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
2.1 心音傳感器的研究
　心音傳感器是整個(gè)系統(tǒng)中的重要部分，它的特性對(duì)采集到的信號(hào)質(zhì)量至關(guān)重要,。本文設(shè)計(jì)了一款優(yōu)質(zhì),、廉價(jià)的基于駐極體電容話筒的心音傳感器。該傳感器靈敏度高,，抗干擾能力強(qiáng),，除了能提取出微弱的心音信號(hào)外，還能盡量不受外界噪聲的干擾[4],。本傳感器由一個(gè)微型駐極體話筒和一個(gè)聽(tīng)診器的聽(tīng)頭組成,，聽(tīng)診器選用的帶雙面探頭的歐石130 K。制作時(shí)把聽(tīng)診器的膠管截去,，留下約10 cm左右,，該傳感器對(duì)心音的靈敏度比較高，對(duì)外界的聲音幾乎無(wú)反應(yīng)[5],。振膜接收到聲波后發(fā)生相應(yīng)的振動(dòng),，同時(shí)引起極板間距離的變化，電容計(jì)算公式為：


2.2.4 后級(jí)放大電路
　由于前級(jí)信號(hào)只將心音信號(hào)放大到幾百毫伏,，信號(hào)仍然很弱,，因此再經(jīng)過(guò)后級(jí)放大電路把心音信號(hào)放大至+5 V范圍內(nèi)。后級(jí)放大電路如圖5所示,。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

　AD9280是一款單芯片,、8 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），采用單電源供電,，內(nèi)置一個(gè)片內(nèi)采樣保持放大器和基準(zhǔn)電壓源,。它采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，數(shù)據(jù)速率達(dá)32 MS/s,，在整個(gè)工作范圍內(nèi)保證無(wú)失碼,。輸入經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，使成像和通信系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更加輕松,。用戶可以選擇各種輸入范圍和偏移,，并可以通過(guò)單端或差分方式驅(qū)動(dòng)輸入。AD9280具有一個(gè)片上可編程基準(zhǔn)電壓源,。也可以使用外部基準(zhǔn)電壓,，以滿足應(yīng)用的直流精度與溫度漂移要求。采用+2.7 V~+5.5 V電源供電,，非常適合高速應(yīng)用中的低功耗操作,。額定溫度范圍為-40℃~+85℃工業(yè)溫度范圍。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖6所示,。

2.4 FPGA控制串口通信
　結(jié)合項(xiàng)目的現(xiàn)有設(shè)備DB2C8核心板,，將信號(hào)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過(guò)DB2C8核心板的擴(kuò)展口，把A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳送到FPGA芯片EP2C8Q208,，A/D轉(zhuǎn)換的采樣時(shí)鐘由FPGA來(lái)控制,，利用FPGA的FIFO存儲(chǔ)器存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，然后控制串口通信的波特率為115 200 b/s,，進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸,。FPGA仿真波形如圖7所示。FIFO為異步讀寫,，F(xiàn)IFO寫時(shí)鐘速率為8 kHz,，讀速率為60  MHz,，串口通信的波特率設(shè)置為115 200  b/s，如圖7所示,，PORT_txd為串口輸出,，q為FIFO的讀數(shù)。
　本采集系統(tǒng)在FPGA的控制下能夠快速,、便捷地采集心音信號(hào)數(shù)據(jù),，由采集的數(shù)據(jù)畫出的波形如圖8所示。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率高,，能在噪聲背景下提取出有用的心音信號(hào),，使得心音的采集更加方便，心音庫(kù)的建立變得切實(shí)可行,。

參考文獻(xiàn)
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