人體具有多種生物信號(hào)，各種生物電信號(hào)的表征能夠反映生物體的不同生命活動(dòng)狀態(tài)，如實(shí)時(shí)監(jiān)測心電信號(hào)(ECG)，通過檢測QRS波群可以判別患者的心律不齊[1]；檢測表面肌電信號(hào)(sEMG)，通過小波分析等算法可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作模式的判別以及肌肉的疲勞分析[2]；通過監(jiān)測手術(shù)過程中的神經(jīng)狀態(tài)，可以協(xié)助外科醫(yī)生確認(rèn)神經(jīng)的安全狀態(tài)，避免手術(shù)過程中造成的誤傷[3]。

    傳統(tǒng)的醫(yī)療檢測儀器多以單片機(jī)、PC機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)笨重，檢測手段單一，且無法同時(shí)檢測多種生物信號(hào)，不便于系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)展。為了克服這些缺陷，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)合型的適合多信號(hào)檢測的儀器，并利用FPGA的高集成、可重復(fù)編程等特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)模擬與數(shù)字相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的多功能生物電信號(hào)檢測系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了3種不同的前置模擬電路分別檢測3種生物電信號(hào)，結(jié)構(gòu)靈活，更換方便。數(shù)字部分在硬件上對(duì)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換、工頻陷波和LCD顯示，在嵌入式Nios軟核上添加了SD卡存儲(chǔ)模塊并對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，為進(jìn)一步的信號(hào)特征分析提供依據(jù)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本文目的是設(shè)計(jì)一款高集成、適用于多種生物電信號(hào)檢測的檢測儀，并針對(duì)不同生物信號(hào)的幅值、頻率范圍和外界干擾等特性設(shè)計(jì)放大檢測電路，以前置盒的形式接入系統(tǒng)。將采集到的信號(hào)自適應(yīng)放大到A/D的采樣范圍，進(jìn)行50 Hz數(shù)字陷波和幅值頻率測量，并在LCD屏幕上顯示波形和參數(shù)，同時(shí)使用Nios軟核對(duì)信號(hào)進(jìn)行SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及頻譜分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)模塊原理及設(shè)計(jì)
2.1 前置放大電路設(shè)計(jì)
    生物電信號(hào)的幅值較小、頻率范圍低且容易受到外界干擾，在設(shè)計(jì)檢測電路時(shí)對(duì)電路結(jié)構(gòu)有特殊要求[4]。由于ECG、sEMG、EMG信號(hào)的幅頻特性、信號(hào)傳導(dǎo)電極的導(dǎo)聯(lián)方式和所受主要干擾來源均不同，因此針對(duì)3種信號(hào)設(shè)計(jì)了不同的前置放大電路，各電路的放大參數(shù)如表1所示。
    電路中主要功能模塊有：輸入保護(hù)電路、輸入緩沖電路（由電壓跟隨器構(gòu)成）、差分儀表運(yùn)算放大器電路、高通濾波器、帶增益的低通濾波器、50 Hz工頻陷波電路以及DRL電路。以下詳細(xì)介紹各電路的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
    (1)sEMG前置放大電路：sEMG信號(hào)幅值較小且最為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過程中對(duì)器件的選型十分重要。除了采用輸入偏置電流極低的AD8627作為輸入緩沖電路之外，還使用了性能更優(yōu)的AD8220作為儀表運(yùn)放電路，并采用了驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的DRL電路來連接參考電極，具體電路如圖2所示。

    (2)EMG前置放大電路：由于信號(hào)采集過程使用針式電極直接從神經(jīng)和肌肉處引導(dǎo)信號(hào)，相應(yīng)地所受到的干擾主要來自于針電極移動(dòng)所引入的運(yùn)動(dòng)偽跡的低頻干擾，所以在高通濾波器設(shè)計(jì)時(shí)將其截止頻率設(shè)置在10 Hz～20 Hz范圍，放大采用儀用放大器AD620且電路設(shè)計(jì)中沒有采用DRL電路。
     (3)ECG前置放大電路：由于心電信號(hào)的幅度較大且穩(wěn)定，因此電路沒有加入電壓跟隨器組成的緩沖電路，而采用與EMG電路一樣性能不錯(cuò)的AD620作為儀表運(yùn)放電路且采用DRL驅(qū)動(dòng)電路。
2.2 自適應(yīng)放大模塊
      信號(hào)經(jīng)過前置盒處理后，幅值達(dá)到毫伏級(jí)，不利于A/D采樣。同時(shí)考慮到生物電信號(hào)的幅度波動(dòng)較大，采用單一的放大增益信號(hào)可能超過A/D的采樣范圍，因此二級(jí)放大中利用了D/A芯片（DAC0832）的電阻加權(quán)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出增益，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)放大[5]。增益公式如式(1)所示，其中Rfb/Ro為固定值，N為FPGA根據(jù)輸入值與設(shè)定閾值的比較而自動(dòng)調(diào)整的數(shù)值。
      A=-(N/256)×(Rfb/Ro)               (1)
2.3 數(shù)字硬件模塊
      利用FPGA的并行處理優(yōu)勢，采用流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了50 Hz二階IIR數(shù)字濾波，進(jìn)一步濾除工頻干擾[6]。系統(tǒng)選用夏普公司液晶顯示屏LQ064V3DG01作為顯示終端，用FPGA產(chǎn)生VGA需要的行同步信號(hào)與列同步信號(hào)以及消隱信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、RGB信號(hào)，使屏幕正常工作[7]。
2.4 SD卡存儲(chǔ)模塊
    要使寫入SD卡中的數(shù)據(jù)可被PC機(jī)有效地讀取，必須在對(duì)SD卡寫入的過程中加入文件系統(tǒng)，而文件系統(tǒng)無法由純硬件實(shí)現(xiàn)。因此系統(tǒng)充分利用Nios II軟核支持文件系統(tǒng)的優(yōu)勢，通過自定義組件與Avalon 總線上的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)SD卡的存儲(chǔ)。
2.5 頻譜分析模塊
      FFT變換是信號(hào)分析中的一種常用手段，在頻域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，得到信號(hào)的能量范圍，在數(shù)字信號(hào)處理中有較廣的應(yīng)用。其中，sEMG的頻譜范圍為10 Hz～500 Hz，EMG的頻譜范圍為2 kHz～10 kHz，而ECG的頻譜范圍為0.05 Hz～250 Hz，因此使用頻譜分析可以更好地分析3種不同信號(hào)，得到信號(hào)特征。
      SoPC的使用使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加靈活，當(dāng)各種信號(hào)分析過程中的復(fù)雜算法難以用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，便可通過Nios中的C語言實(shí)現(xiàn)，簡單有效并充分發(fā)揮了SoPC的特點(diǎn)[8]。本設(shè)計(jì)中用C語言實(shí)現(xiàn)FFT算法并添加到Nios中，數(shù)據(jù)通過SoPC的I/O口由硬件部分輸入，計(jì)算出結(jié)果后再經(jīng)I/O輸出并進(jìn)行VGA顯示。
3 系統(tǒng)測試
3.1 模擬前端測試
    本文設(shè)計(jì)了3個(gè)前置模擬電路，下面詳細(xì)介紹sEMG前置盒的測試結(jié)果，對(duì)前置盒進(jìn)行放大倍數(shù)測試以及放大線性度測試。輸入頻率為100 Hz、幅度不同的正弦波，將得到的數(shù)據(jù)繪制成線性度測試圖，如圖3所示。

    由以上數(shù)據(jù)及測試結(jié)果可知，前置處理盒的放大倍數(shù)約為73～76倍,且線性度良好。ECG與EMG兩種的前置盒電路工作正常，具體數(shù)據(jù)不再列出。
3.2 生物信號(hào)實(shí)測

    為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，分別對(duì)不同應(yīng)用的生物電信號(hào)進(jìn)行了整體測量，同時(shí)用SD卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并在Matlab中提取出來。
    (1)實(shí)驗(yàn)一：表面肌電信號(hào)的檢測
    系統(tǒng)主要針對(duì)手及手臂運(yùn)動(dòng)進(jìn)行sEMG檢測，電極安放在小臂肌肉群范圍內(nèi)，受測者進(jìn)行握拳動(dòng)作，保持1 s不動(dòng)后松拳靜息，重復(fù)幾組動(dòng)作，關(guān)閉存儲(chǔ)，取出SD卡后通過Matlab軟件讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測，結(jié)果如圖4所示。波形圖中橫軸為采樣點(diǎn)數(shù)，采樣率為1 000 Hz，每1000個(gè)點(diǎn)表示測試時(shí)間為1 s；縱軸為SD卡采集到的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字量。
    圖4中可以看出，檢測信號(hào)與參考文獻(xiàn)[9]中一致，分為握拳狀態(tài)和放松狀態(tài)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析結(jié)果如圖5所示，由圖中可知，50 Hz的工頻干擾濾波效果明顯，且信號(hào)的能量主要集中在10 Hz～200 Hz，確定檢測到的信號(hào)為有效的sEMG信號(hào)。

    (2)實(shí)驗(yàn)二：神經(jīng)肌電信號(hào)檢測
    在神經(jīng)肌電信號(hào)檢測中，由于實(shí)驗(yàn)需要采用針式電極，在實(shí)驗(yàn)室中無法直接用人體進(jìn)行測試，因此使用青蛙替代，對(duì)動(dòng)物體進(jìn)行了相關(guān)測試。從實(shí)驗(yàn)中觀察到，電流刺激青蛙神經(jīng)后，神經(jīng)所支配的腿部肌肉會(huì)有規(guī)律地抖動(dòng)；切斷神經(jīng)后，腿部停止抖動(dòng)且信號(hào)消失。通過SD卡回放波形如圖6所示，檢測到的信號(hào)為同頻率的脈沖信號(hào)。

     本文完成了基于FPGA的多功能生物電信號(hào)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。以FPGA為控制核心，模擬電路與數(shù)字電路緊密結(jié)合，軟件和硬件協(xié)同處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物電信號(hào)的提取、放大、儲(chǔ)存、顯示和分析，并完成了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)檢測和結(jié)果結(jié)果。系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用單一、擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，將多種生物信號(hào)檢測手段集成實(shí)現(xiàn)，可供后續(xù)的信號(hào)處理和分析，在信號(hào)檢測以及家用醫(yī)療方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
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