基于FPGA的心音采集系統(tǒng)

摘 要： 設(shè)計了基于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)及時可靠地傳遞給PC。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能無創(chuàng)、快速、廉價地采集心音信號。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)充分利用了計算機資源，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)計了基于單片機的心音、脈搏信號采集系統(tǒng)[3]， 但是單片機存在傳輸速率低的問題。本文設(shè)計了基于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

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)實時發(fā)送到PC，實現(xiàn)整個采集系統(tǒng)。

2 采集系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 心音傳感器的研究

心音傳感器是整個系統(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)計了一款優(yōu)質(zhì)、廉價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，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]。本傳感器由一個微型駐極體話筒和一個聽診器的聽頭組成，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，同時引起極板間距離的變化，電容計算公式為：

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32 MS/s，在整個工作范圍內(nèi)保證無失碼。輸入經(jīng)過設(shè)計，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。