??? 摘 要： 介紹了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的實(shí)時(shí)心電" title="心電">心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用FPGA為中央數(shù)字處理器，采用硬件描述語言(VHDL)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)（ECG）的實(shí)時(shí)采集、處理和傳送。同時(shí)還在芯片內(nèi)集成了數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)算法，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)處理和壓縮。
??? 關(guān)鍵詞： FPGA? 心電信號(hào)? 實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)

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??? 近年來隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)得到了較快的發(fā)展。但是現(xiàn)有的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)多采用單片機(jī)作為中央處理器，不但處理速度慢，而且功耗和體積大，實(shí)時(shí)性差。針對(duì)便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)需滿足的處理速度快、功耗低和微型化等要求，本系統(tǒng)選擇了FGPA為中央處理器，進(jìn)行心電數(shù)據(jù)的采集和處理，使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采集、處理、存儲(chǔ)以及發(fā)送心電數(shù)據(jù)等功能。
1 系統(tǒng)硬件組成
??? 系統(tǒng)的硬件部分以XILINX的低成本型SpartanTM-3器件XC3S400-4TQ144C[1]為核心，主要包括ECG信號(hào)濾波放大電路、QRS波檢測(cè)電路、FPGA控制系統(tǒng)等。其硬件構(gòu)成如圖1所示。

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1.1 濾波放大電路
??? 濾波放大電路的作用是從噪聲中提取心電信號(hào)，并把它放大到合適的電平以提供給A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換電路。
??? 前置放大電路選用儀表放大器AD620,放大倍數(shù)為11。主放大電路和后置放大電路放大倍數(shù)分別設(shè)計(jì)為50、1～3。整個(gè)電路放大倍數(shù)為550～1650連續(xù)可調(diào)。
??? 高通濾波器采用無源RC濾波器;采用運(yùn)放TLC2254設(shè)計(jì)了由4個(gè)二階壓控電壓源（VCVS）低通濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成的八階低通濾波器。
1.2? A/D轉(zhuǎn)換電路
??? 本系統(tǒng)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理的分辨率為12位。FPGA擁有豐富的I/O口，所以選擇轉(zhuǎn)換方式為并行，采樣頻率為1kHz。本系統(tǒng)對(duì)A/D的速度、精度都沒有特殊要求，需考慮的主要是體積、低供電電壓和功耗。經(jīng)比較最終選用了MAXIM公司的并行接口A/D轉(zhuǎn)換器MAX1297。將其并行接口以及控制信號(hào)" title="控制信號(hào)">控制信號(hào)與FPGA相連，由FPGA提供芯片所要求的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘以及控制信號(hào)。
1.3 R波檢測(cè)電路
??? R波的檢測(cè)分為硬件和軟件檢測(cè)。相對(duì)于軟件實(shí)現(xiàn)來說，采用硬件實(shí)現(xiàn)R波檢測(cè)具有速度快、實(shí)時(shí)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中，R波檢測(cè)電路由跟隨器、QRS濾波器、整波電路、峰值保持電路和比較器組成[2]。預(yù)處理后的心電信號(hào)經(jīng)R波檢測(cè)電路被轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)，再輸入FPGA進(jìn)行處理。
2 FPGA實(shí)現(xiàn)的主要功能
??? 如圖2所示，F(xiàn)PGA 內(nèi)部主要有A/D控制模塊、SRAM控制模塊、FIR濾波模塊、心電數(shù)據(jù)壓縮模塊、時(shí)鐘產(chǎn)生模塊和串口通信模塊。

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2.1 A/D控制
??? 由于選用的A/D芯片為雙通道，所以內(nèi)部模塊也按照兩通道來設(shè)計(jì)，分別為outdata1和outdata2,數(shù)據(jù)為12位，CLK端口接外部時(shí)鐘接口，該模塊內(nèi)部嵌入了時(shí)鐘產(chǎn)生模塊，輸入50MHz信號(hào)，輸出ad_clk信號(hào)為400kHz，占空比為50%。在本模塊中每400個(gè)周期對(duì)CH0和CH1通道分別取一個(gè)點(diǎn)，輸出到outdata1和outdata2,采樣率為400kHz/400=1kHz。該模塊的頂層圖和功能仿真如圖3所示。

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2.2 數(shù)字濾波
??? 為了進(jìn)一步濾除因前置處理電路而加重的工頻干擾，本系統(tǒng)集成了分布式FIR數(shù)字濾波器^[3]。
2.3 SRAM 控制
??? 系統(tǒng)中配置的是256K×16bit的SRAM、18位地址線、16位數(shù)據(jù)線，CS、OE和WE分別作為SRAM的片選信號(hào)、讀使能和寫使能信號(hào)，這三個(gè)信號(hào)均為低電平有效，由UB和LB分別控制每次讀寫的是高字節(jié)還是低字節(jié)。本文依據(jù)該芯片的功能在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)了SRAM控制模塊,其頂層圖如圖4所示。

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??? 該模塊中的控制信號(hào)有ram_ce、ram_full、ram_lb、ram_oe、ram_ub、ram_we。其中ram_ce用于給SRAM芯片提供片選信號(hào)，ram_full用于標(biāo)示SRAM存儲(chǔ)器中的空間，ram_oe信號(hào)用于給外部SRAM芯片輸出使能信號(hào)；ram_we用于給外部SRAM芯片讀寫控制信號(hào)；外部SRAM芯片的I/O0－I/O15為16位數(shù)據(jù)線，模塊中用兩個(gè)信號(hào)ram_ub和ram_lb分別控制其高字節(jié)和低字節(jié)。
??? 該模塊中用到的時(shí)鐘信號(hào)有兩個(gè)，一個(gè)是SRAM寫時(shí)鐘ram_wclk,一個(gè)是SRAM讀時(shí)鐘ram_rclk，這兩個(gè)時(shí)鐘均由時(shí)鐘產(chǎn)生模塊生成。因?yàn)镾RAM的寫入數(shù)據(jù)是A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，所以ram_wclk寫時(shí)鐘應(yīng)該與AD的數(shù)據(jù)頻率一致為1kHz。從SRAM讀數(shù)據(jù)時(shí)，是讀給后面的心電數(shù)據(jù)壓縮模塊處理，系統(tǒng)中的心電數(shù)據(jù)處理模塊的時(shí)鐘為50MHz，所以讀數(shù)據(jù)時(shí)，采用50MHz，這樣可以最大限度地提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
??? 模塊中有兩個(gè)地址信號(hào): dsp_addr<17:0>和ram_addr<17:0>。dsp_addr<17:0>來自心電數(shù)據(jù)壓縮模塊，ram_addr<17:0>是用于給外部SRAM芯片地址信號(hào)。
??? 該模塊的數(shù)據(jù)信號(hào)有三個(gè)：ad_wdata<11:0>、dsp_rdata<11:0>和ram_data<11:0>。這三個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)分別與前面的AD轉(zhuǎn)換模塊、后面的心電數(shù)據(jù)壓縮模塊及FPGA外部的SRAM芯片連接。
2.4?心電數(shù)據(jù)的壓縮和通信
??? 為了能實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和傳送足夠長(zhǎng)的有用信號(hào),對(duì)采集的ECG信號(hào)必須采取一定的壓縮處理,為此該系統(tǒng)還集成了LADT數(shù)據(jù)壓縮算法模塊^[3]。LADT模塊的輸入端口有三個(gè)，分別為數(shù)據(jù)輸入端口dsp_data_in<11:0>、系統(tǒng)時(shí)鐘端口dsp_clk和全局停止信號(hào)rst；輸出端口有兩個(gè)：數(shù)據(jù)輸出端口dsp_data_out<11:0>和送給SRAM的地址信號(hào)dsp_addr<17:0>。該模塊的頂層圖和仿真結(jié)果如圖5所示。

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??? 依據(jù)UART的通信原理在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)了異步通信模塊，用于最終將實(shí)時(shí)壓縮處理后的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)處理。異步通信模塊的幀格式是8位數(shù)據(jù)位，一個(gè)起止位，一個(gè)停止位。其中波特率為可調(diào)，由時(shí)鐘發(fā)生模塊給予時(shí)鐘信號(hào)。
??? 發(fā)送模塊" title="發(fā)送模塊">發(fā)送模塊中，din<7:0>為并行數(shù)據(jù)輸入；clk16×為時(shí)鐘信號(hào)，由時(shí)鐘產(chǎn)生模塊給予，在時(shí)鐘發(fā)送模塊中該時(shí)鐘信號(hào)可調(diào)；rst為復(fù)位信號(hào)(復(fù)位信號(hào)“1”)；wrn為數(shù)據(jù)傳輸控制信號(hào)（信號(hào)為下降沿時(shí)，讀入數(shù)據(jù)）；sdo為串行數(shù)據(jù)" title="串行數(shù)據(jù)">串行數(shù)據(jù)輸出。并串轉(zhuǎn)換后，在傳送之前加一位起止位、停止位后，再通過對(duì)發(fā)送模塊其他一些控制信號(hào)的編寫，就完成了整個(gè)發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)。該模塊的頂層圖和仿真結(jié)果如圖6所示。

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??? 當(dāng)系統(tǒng)接收到上位機(jī)通過串行通信接口發(fā)送來的串行數(shù)據(jù)時(shí)，要將其轉(zhuǎn)化為FPGA內(nèi)部使用的并行數(shù)據(jù)，所以接收模塊的主要作用是用于串-并轉(zhuǎn)換。接收模塊中，clk16×為時(shí)鐘控制信號(hào)；rst為復(fù)位信號(hào)（當(dāng)rst為“1”時(shí)，所有工作信號(hào)復(fù)位）；rxd為串口發(fā)送來的串行數(shù)據(jù)；dout<7:0>為經(jīng)接收模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換后輸出的并行數(shù)據(jù)；framing_error為幀錯(cuò)誤信號(hào)。程序的主體思想是：首先將接收到的串行數(shù)據(jù)逐位地放入移位寄存器rsr中，當(dāng)8位數(shù)據(jù)放滿后輸出給緩存rbr，并暫時(shí)保存在那里；當(dāng)收到發(fā)送信號(hào)時(shí)再將8位的并行信號(hào)輸出（這個(gè)過程實(shí)際上是發(fā)送模塊的逆過程，是將串行數(shù)據(jù)變?yōu)椴⑿袛?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換）；再通過對(duì)接收模塊其他一些控制信號(hào)的編寫，就完成了整個(gè)接收模塊的設(shè)計(jì)。該模塊的頂層圖和仿真結(jié)果如圖7所示。
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??? 一個(gè)完整的串口通信應(yīng)該有其協(xié)議，也就是說往往是上位機(jī)應(yīng)先給下位機(jī)發(fā)送一個(gè)控制信號(hào)后，發(fā)送模塊才工作，即兩個(gè)模塊應(yīng)該協(xié)同工作，所以本文將這兩個(gè)模塊連接到了一起，并加入一些控制信號(hào)，從而設(shè)計(jì)出串口通信模塊。模塊中的rxd用來接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是“AA”或者“55”，“AA”表示開始接收數(shù)據(jù)，“55”表示停止接收數(shù)據(jù)。
2.5 時(shí)鐘模塊
??? 時(shí)鐘模塊產(chǎn)生其他所有模塊工作所需的時(shí)鐘，時(shí)鐘脈沖是控制信號(hào)以及系統(tǒng)能協(xié)調(diào)工作的基礎(chǔ)。根據(jù)前面幾個(gè)模塊的時(shí)鐘需求，設(shè)計(jì)了時(shí)鐘產(chǎn)生模塊。模塊輸入時(shí)鐘為clk，其頻率為50MHz，由外部有源晶振連接FPGA的全局時(shí)鐘管腳GCLK0提供。其余輸出時(shí)鐘為提供給幾個(gè)模塊的時(shí)鐘信號(hào)，其中ad_clk是送給A/D轉(zhuǎn)換模塊的時(shí)鐘，da_clk送給D/A轉(zhuǎn)換模塊，ram_rclk和ram_wclk分別為SRAM模塊提供讀時(shí)鐘和寫時(shí)鐘，dsp_clk為L(zhǎng)ADT模塊的工作時(shí)鐘，rxclk和txclk分別為UART模塊的接收時(shí)鐘和發(fā)送時(shí)鐘。該模塊的項(xiàng)層圖和仿真結(jié)果如圖8所示。?通過對(duì)FPGA芯片程序的下載，將6個(gè)功能模塊集成于芯片XC3S400中，該芯片內(nèi)部有40萬門，最終頂層模塊程序的資源占用情況如表1所示。從中可以看出，資源占用率很低，僅為8％，還留有大量的剩余資源，為系統(tǒng)的進(jìn)一步完善和增添其他功能模塊提供了可靠的保證，例如可以在FPGA芯片中增加心電數(shù)據(jù)分析模塊和無線通信模塊等。

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??? 本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的集心電信號(hào)采集、存儲(chǔ)、處理和發(fā)送等功能于一體的實(shí)時(shí)心電傳感系統(tǒng)。?該系統(tǒng)在一片F(xiàn)PGA中完成了大部分實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)功能，并可以用修改軟件的方法來改進(jìn)或增加其功能，與現(xiàn)有的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀相比，更具智能性。
參考文獻(xiàn)
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[3] 韋建敏,楊永明，郭巧惠.基于FPGA的實(shí)時(shí)心電信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì).電子器件, 2005，28（3）：581-583.