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,。傳感器將心音信號轉(zhuǎn)換成電信號,，通過預(yù)處理電路的放大和濾波，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路送到FPGA,，F(xiàn)PGA把現(xiàn)場采集到的數(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)能無創(chuàng),、快速,、廉價(jià)地采集心音信號。
關(guān)鍵詞： 心音信號,；A/D,；FPGA
目前，心血管疾病的診斷主要分為無創(chuàng)診斷和有創(chuàng)診斷法兩種,。其中,，無創(chuàng)診斷包括心電圖、動態(tài)心電圖和心音圖,、超聲心動圖以及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)[1],；有創(chuàng)診斷主要指動脈造影技術(shù)，但是會帶來并發(fā)癥,。非常嚴(yán)重的心血管疾病并不能夠通過心電圖做出正確診斷,，而早期的心臟病變會引起心音信號成分的變化，通過心音圖分析心音成分以及雜音,，能對早期心血管疾病做出正確診斷,。心音信號是一種非常微弱的隨機(jī)信號，在采集過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、脈搏信號采集系統(tǒng)[3],， 但是單片機(jī)存在傳輸速率低的問題。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,、信號預(yù)處理電路,、A/D轉(zhuǎn)換電路以及PC等構(gòu)成。其中,，信號預(yù)處理電路首先對心音信號進(jìn)行前級放大,，然后經(jīng)過帶通濾波（由低通濾波電路和高通濾波電路構(gòu)成），最后經(jīng)過后級放大電路處理,。帶通濾波電路可以通過開關(guān)控制,，前級放大的輸出可以通過開關(guān)控制直接跳過帶通濾波電路直接到后級放大電路，由于前級信號只將心音信號放大到幾百毫伏,，信號仍然很弱,，因此再經(jīng)過后級放大電路把心音信號放大至+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,，它的特性對采集到的信號質(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)聽診器的聽頭組成，聽診器選用的帶雙面探頭的歐石130 K,。制作時(shí)把聽診器的膠管截去,，留下約10 cm左右，該傳感器對心音的靈敏度比較高,，對外界的聲音幾乎無反應(yīng)[5],。振膜接收到聲波后發(fā)生相應(yīng)的振動，同時(shí)引起極板間距離的變化,，電容計(jì)算公式為：
2.2.4 后級放大電路
由于前級信號只將心音信號放大到幾百毫伏,，信號仍然很弱，因此再經(jīng)過后級放大電路把心音信號放大至+5 V范圍內(nèi),。后級放大電路如圖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)保證無失碼,。輸入經(jīng)過設(shè)計(jì)，使成像和通信系統(tǒng)的開發(fā)更加輕松,。用戶可以選擇各種輸入范圍和偏移,，并可以通過單端或差分方式驅(qū)動輸入。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,，將信號放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過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來控制,，利用FPGA的FIFO存儲器存儲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，使得心音的采集更加方便,，心音庫的建立變得切實(shí)可行,。
參考文獻(xiàn)
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