基于FPGA的紅外脈搏測(cè)量?jī)x控制器的硬件實(shí)現(xiàn)

廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 胡廣洲

0 引言

隨著FPGA的逐漸普及，其在智能設(shè)備中的使用也在逐年增加。FPGA相關(guān)產(chǎn)品的智能化水平相比于單片機(jī)有了質(zhì)的飛躍。FPGA的體積更小，功能的可設(shè)計(jì)性更強(qiáng)，性價(jià)比更高，為此其在智能儀表和相關(guān)控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

數(shù)字式脈搏測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)是以FPGA控制器為核心，利用控制器的控制，加上其強(qiáng)大的運(yùn)算功能及在系統(tǒng)可編程的特點(diǎn)。數(shù)字顯示的脈搏控制電路的顯示不僅直觀，相比于同類產(chǎn)品測(cè)量精度更高，而且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)的監(jiān)測(cè)，所以獲得廣泛的應(yīng)用。

脈搏是人體活動(dòng)最重要、最靈敏和最可靠的信源。科學(xué)技術(shù)在不斷的發(fā)展，人們已經(jīng)習(xí)慣了數(shù)字化及智能化的數(shù)字產(chǎn)品。特別是醫(yī)療儀器設(shè)備的數(shù)字化，讓一些不懂得醫(yī)術(shù)的人們，可以通過(guò)相應(yīng)參數(shù)的顯示，簡(jiǎn)單判斷并了解自身的身體狀況?，F(xiàn)代的數(shù)顯的便攜的醫(yī)療儀器的使用方便性是不言而喻的。

現(xiàn)在獲取脈搏的方式多采用壓力傳感器來(lái)獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)脈搏的目的?？萍嫉陌l(fā)展給人們的日常生活帶來(lái)了改變，特別是智能化的數(shù)顯電子產(chǎn)品已經(jīng)成為了家庭必備的用品。而市場(chǎng)上目前的家庭醫(yī)療電子產(chǎn)品中測(cè)量血壓的單一功能居多。對(duì)脈搏進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)的相關(guān)儀器產(chǎn)品不多。本設(shè)計(jì)針對(duì)目前家用醫(yī)療設(shè)備的現(xiàn)狀及相應(yīng)的需求提出了一種新的設(shè)計(jì)方法，并改進(jìn)了同類產(chǎn)品的不足[1]。

1 實(shí)現(xiàn)方案

光電測(cè)量的原理是，通過(guò)動(dòng)脈血不同的氧飽和度對(duì)透光性的影響來(lái)測(cè)量脈搏。人體被測(cè)位的血管的擴(kuò)張和收縮及血液量的變化，都是通過(guò)心臟的搏動(dòng)引起的。脈搏信號(hào)的獲取，是通過(guò)對(duì)血濃容量的波動(dòng)引起了光吸收量的變化而得到的。這個(gè)過(guò)程要排除非血液組織對(duì)光吸收量的影響。

通過(guò)對(duì)采集信號(hào)光電轉(zhuǎn)換以及波形處理，對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)脈搏的測(cè)量。

氧合血紅蛋白〔HbO2〕和還原血紅蛋白（HB）對(duì)光普的吸收特點(diǎn)如圖1所示[2]。

鑒于人體組織會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的精度有一定影響。為此在對(duì)光波的波長(zhǎng)進(jìn)行選擇時(shí)，要求氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對(duì)這一波段的吸光能力要強(qiáng)于非血液組織。但是，也不能選擇吸光系數(shù)太大的波段，如果吸光系數(shù)太大，透射光會(huì)極弱，不容易檢測(cè)環(huán)境周圍光的變化，有可能對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)造成大的偏差。

由于氧合血紅蛋白Hb02和還原氧合蛋白Hb對(duì)600nm以下波長(zhǎng)光的吸光系數(shù)過(guò)大，不適宜權(quán)飽和度檢測(cè)．從圖1看到該光波波長(zhǎng)應(yīng)該在805nm左右，要做到理論上絕對(duì)相等是很難實(shí)現(xiàn)的。而該點(diǎn)的吸光系數(shù)隨波長(zhǎng)變化幅度比較大，這樣當(dāng)發(fā)光管存在個(gè)體差異時(shí)，很不利于調(diào)試替換，而在900—950nm這個(gè)波段，兩曲線變化緩慢且接近重合，所以一般將波長(zhǎng)選在此波段。光波長(zhǎng)選在650nm附近，因?yàn)樵谠摬ǘ翁?，光?duì)氧合血紅蛋白HbO2和還原血紅蛋白Hb吸收系數(shù)之差最大。本設(shè)計(jì)選用660nm紅光和905nm紅外光的兩種單色光[3]。

圖1 紅光和紅外光吸收曲線

反射式血氧飽和度檢測(cè)系統(tǒng)是將反射式的傳感器貼在人體表面，入射光經(jīng)過(guò)人體組織后，由于組織對(duì)光的吸收和散射作用，從與入射光位于同一表面的接收部分收集經(jīng)過(guò)了血管床中的血流調(diào)制的反射光信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)的放大、分離、有源濾波后，削抖。在FPGA的控制下通過(guò)數(shù)碼管正確的顯示。

2 控制器的結(jié)構(gòu)

此系統(tǒng)以FPGA為核心控制器件。硬件電路共分四部分：脈搏信號(hào)的采集、處理、FPGA數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及數(shù)碼顯示串行通信部分?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 脈搏信號(hào)數(shù)據(jù)的獲取及處理

用紅外線傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏信號(hào)的獲取，紅外傳感器主要是通過(guò)對(duì)光源的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。

對(duì)光源的控制電路如圖3所示?？刂齐娐纺軌虍a(chǎn)生序列脈沖，傳感器上的波長(zhǎng)為660nm和905nm的發(fā)光二極管就會(huì)被驅(qū)動(dòng)。方波信號(hào)A（頻率為572Hz、占空比為1/6）是由方波發(fā)生器產(chǎn)生的，方波信號(hào)A經(jīng)過(guò)二分頻之后會(huì)產(chǎn)生信號(hào)C。之后信號(hào)C和信號(hào)A共同控制再產(chǎn)生信號(hào)D和信號(hào)E，然后由信號(hào)D和信號(hào)E通過(guò)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制相對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管，使得二極管按照相應(yīng)的時(shí)序進(jìn)行發(fā)光和熄滅。

圖2 脈搏自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)框圖

圖3 光源控制和驅(qū)動(dòng)電路

2.2 脈搏信號(hào)的放大

通過(guò)動(dòng)脈血管床的光信號(hào)，會(huì)被相應(yīng)傳感器接收，然后將其轉(zhuǎn)換成需要的電信號(hào)，該電信號(hào)中含有紅外光和紅光及暗光的信息。而且此電信號(hào)是比較微弱的，為此需要先用一個(gè)放大電路對(duì)其進(jìn)行放大處理。相應(yīng)的放大電路需要具有比較高的共模干擾抑制能力。該測(cè)量放大電路具有輸入阻抗高，失調(diào)電壓低，放大倍數(shù)穩(wěn)定，輸出阻抗低等特點(diǎn)。為此，該結(jié)構(gòu)的放大電路常常會(huì)被應(yīng)用在醫(yī)學(xué)的測(cè)量，或者需要對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行處理的相應(yīng)場(chǎng)合［4］。

為了避免外界的光對(duì)系統(tǒng)的影響，本設(shè)計(jì)中采用了一種比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，采用同步檢波的方法，對(duì)正/負(fù)極性進(jìn)行切換的電路。經(jīng)過(guò)這種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)之后，運(yùn)用傳感器控制模塊所產(chǎn)生的相應(yīng)信號(hào)來(lái)控制模擬開(kāi)關(guān)的閉合和斷開(kāi)，進(jìn)而使得相應(yīng)信號(hào)能夠分成紅光和紅外光。之后用低通濾波和高通濾波對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行處理。電路如圖4所示。

圖4 信號(hào)放大電路

3 控制器電路設(shè)計(jì)

3.1 FPGA核心芯片的選擇

FPGA能夠?qū)刂破飨到y(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行管理，并完成對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的任務(wù)。FPGA通過(guò)對(duì)相應(yīng)接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，脈搏數(shù)字也可由數(shù)碼管直接顯示。本系統(tǒng)采用的FPGA是Altera公司生產(chǎn)的，采用了TSMC的28-nm低功耗(28LP)工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)的Cyclone VSoc系列的5CSEMA5F31C6N。這款芯片有如下特點(diǎn)：

總功耗比Cyclone IV GX FPGA低40%。單通道的功耗在5Gbps時(shí)僅有88mW。

在功耗不到1.8W時(shí)，相應(yīng)處理器的性能超過(guò)4,000MIPS[5]。

此款FPGA為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

3.2 FPGA配置電路的設(shè)計(jì)

為了使得FPGA實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理的能力，本設(shè)計(jì)通過(guò)EPCS128作為FPGA的配置芯片來(lái)完成相應(yīng)的配置工作。

EPCS128是串行配置器件，在可編程工業(yè)領(lǐng)域中是一款低成本的配置芯片。

存儲(chǔ)器容量達(dá)128Mbit，工作電壓范圍2.7-3.6V。配置使用AS模式（主動(dòng)串行）。

系統(tǒng)重新上電之后必須重新進(jìn)行配置。配置完成之后，I/O引腿和寄存器就會(huì)被初始化，之后就會(huì)進(jìn)入用戶狀態(tài)。FPGA配置的連接圖如圖5所示。

圖5 FPGA配置的連接圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)脈搏的自動(dòng)測(cè)量和實(shí)時(shí)顯示的功能要求，能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)電路簡(jiǎn)單，占用的空間比較小，滿足了便攜要求，能夠較為方便的為用戶及時(shí)提供自己的心率數(shù)據(jù)。

從測(cè)試情況看，系統(tǒng)基本滿足預(yù)期設(shè)想正常工作。安全性更高，具有推廣價(jià)值。