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(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(huì)引起心音信號(hào)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(hào)是一種非常微弱的隨機(jī)信號(hào),，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(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)處理電路首先對心音信號(hào)進(jìn)行前級(jí)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(jí)放大電路處理,。帶通濾波電路可以通過開關(guān)控制，前級(jí)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(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),。
基于FPGA的心音信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(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(dòng),，同時(shí)引起極板間距離的變化,，電容計(jì)算公式為：
其中，ε 為電解質(zhì)常數(shù),，S 為極板表面積,，d 為極板間距離。由式(1 ) 可知,， 當(dāng)電容作相應(yīng)變化時(shí),， 由于R 阻值很大， 充電電荷Q 來不及變化,， 從而引起電容兩端的電壓發(fā)生變化,， 即：
U=Q/C (2 )
這樣， 話筒就將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電壓信號(hào),。
2.2 心音信號(hào)預(yù)處理電路
2.2.1 心音信號(hào)前置放大電路設(shè)計(jì)
傳感器輸出的心音信號(hào)微弱并且夾雜著噪聲,， 為了提取出有用信號(hào)， 必須進(jìn)行放大和濾波處理,。本文采用同相輸入電路,， 并且輸入電路需滿足如下要求：
(1 ) 前置級(jí)的輸入阻抗要足夠高， 從而保證心音信號(hào)的穩(wěn)定放大,。心音信號(hào)源本身是一種微弱的振動(dòng)源,， 將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程又呈現(xiàn)出高內(nèi)阻特性[ 6 ] ， 粗略估計(jì),， 與放大器輸入端相連的信號(hào)源內(nèi)阻高達(dá)100 kΩ,。
(2 ) 高共模抑制比(CMRR) 。生物電放大器的CMRR值一般要求達(dá)到60 dB~80 dB,。但是放大器前邊傳感器系統(tǒng)影響了它的實(shí)際共模能力,， 使得共模干擾轉(zhuǎn)化成差模干擾， 降低了整個(gè)前置級(jí)的CMRR,。但是通過提高放大器的輸入阻抗可以減小這一轉(zhuǎn)化,， 從而保證高的共模抑制比,。
(3 ) 低噪聲、低漂移,。由于心音信號(hào)幅度較低,， 僅在毫伏級(jí)， 并且夾雜著較大的熱噪聲,， 要讓輸出信號(hào)具有較高的信噪比,， 就要求放大器的內(nèi)部噪聲較低。為了滿足實(shí)驗(yàn)需要,， 選取NE5532 運(yùn)算放大器,， 它是一種高性能低噪聲運(yùn)算放大器。與大多數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比,，它具有更好的噪聲性能,， 輸出驅(qū)動(dòng)能力和相當(dāng)高的小信號(hào)和電源帶寬。前置放大電路前端加了電解電容進(jìn)行濾波,， 允許高頻成分通過,， 濾掉低頻成分。放大電路如圖2所示,， 放大倍數(shù)為1+(R11+R12)/R14,。
基于FPGA的心音信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.2.2 心音信號(hào)高通濾波電路設(shè)計(jì)
前置放大電路輸出的信號(hào)并不是純粹的心音信號(hào)，其中夾雜著不少的工頻干擾和低頻分量[ 7],， 如傳感器與皮膚的摩擦音,、呼吸噪音和記錄儀器的干擾等。這不僅不利于后續(xù)分析研究,， 更有可能淹沒心音信號(hào),。因此， 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)高通濾波電路來消除上述噪音,， 如圖3 所示,。二階高通濾波器的傳遞函數(shù)為：
2.2.3 低通濾波電路
從高通濾波電路出來的心音信號(hào)還混有較高頻率的傳聲器與人體皮膚摩擦產(chǎn)生的干擾， 通過低通濾波電路來濾除高頻干擾成分,， 電路圖如圖4 所示,。
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)過后級(jí)放大電路把心音信號(hào)放大至+5 V范圍內(nèi),。
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(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(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,，心音庫的建立變得切實(shí)可行,。