人體心電信號數(shù)字處理及控制模塊的SOPC設(shè)計*

李 鴻，左右清

(湘潭醫(yī)衛(wèi)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411102)

0 引言

心電信號(Electrocardiogram，ECG)數(shù)字處理及控制模塊是心電監(jiān)護儀的重要組成部分，實現(xiàn)ECG的濾波、儲存、回放、通信和顯示等數(shù)字處理及控制。目前大多采用DSP+MCU或DSP+ARM的雙CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過編寫復(fù)雜的程序?qū)崿F(xiàn)模塊的功能。其協(xié)同性差、穩(wěn)定性低，運算速度慢，分析時響應(yīng)不高，影響診斷結(jié)果的準確性，不易執(zhí)行復(fù)雜的心電信號分析算法，同時，隨著模塊功能實現(xiàn)的增加，硬件設(shè)計更加復(fù)雜，軟件編寫煩瑣，體積龐大，研制成本提高[1]，與產(chǎn)品微型化、多功能化和低功耗要求相背。

本研究旨在用FPGA(Field Programmable Gate Arrary)“片上系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)來取代目前心電監(jiān)護儀所采用的DSP和MCU或ARM微處理器雙CPU結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對ECG信號的數(shù)字處理和控制。FPGA是在硬件上實現(xiàn)全部控制邏輯，比MCU或DSP的軟件處理速度快，實時性好，效率高。同時FPGA支持NiosⅡ嵌入式軟核處理器，對各種算法的實現(xiàn)和數(shù)據(jù)的處理能力大大增強。其次，基于SOPC的FPGA系統(tǒng)設(shè)計具有研制周期短、制作成本低，可靠性高，特別是可以很方便地對設(shè)計進行在線修改，同時器件少、功耗低，很適應(yīng)可穿戴設(shè)備和移動醫(yī)療的需要。

1 ECG數(shù)字處理及控制模塊架構(gòu)

ECG數(shù)字處理及控制模塊基于FPGA芯片EP2C35F672C6N構(gòu)建,接收A/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字ECG信號，對信號再次除雜，分析處理并存儲，實現(xiàn)與各個接口間的通信，包括AD控制器、心率處理器、FIR(Finite Impluse Response)濾波器以及寄存器編碼等子模塊。

首先，在FPGA內(nèi)部定制1個NiosⅡ軟核處理器，實現(xiàn)總體控制，上述子模塊通過寄存器編碼子模塊掛載到Avalon總線上作為NiosⅡ系統(tǒng)的外設(shè)，并采用統(tǒng)一的同步時鐘，構(gòu)成一個基于32位嵌入式NiosⅡ軟核CPU的嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)信號的采集、處理、回放、存儲和顯示功能?？傮w框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 模塊整體結(jié)構(gòu)框圖

NiosⅡ軟核處理器采用Avalon交換式總線[2]，通過Avalon總線控制心率處理器、FIR濾波器等子模塊對輸入的ECG進行數(shù)字濾波和心率檢測，得到信噪比更高的數(shù)字心電信號，轉(zhuǎn)換成可視波形和數(shù)據(jù)放入寄存器模塊中存儲。同時，通過對寄存器的設(shè)置或讀取，直接獲得心率大小、心電波形縮放系數(shù)等心電信息的相關(guān)數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)心電信號的實時顯示、遠程傳輸，用于分析和診斷。

2 ECG數(shù)字處理及控制模塊設(shè)計

模塊設(shè)計采用軟硬件協(xié)同設(shè)計的思想，在FPGA上采用SOPC定制IP核技術(shù)單獨完成各個子模塊的設(shè)計，實現(xiàn)相關(guān)邏輯功能，再將各個子模塊整合在一起形成一個系統(tǒng)，達到對數(shù)字ECG的處理與控制，CPU采用Altera公司提供的NiosⅡ軟核處理器，本設(shè)計在QuartusⅡ9.0版本下完成。

圖2為ECG數(shù)字處理及控制模塊在QuartusⅡ9.0開發(fā)軟件中設(shè)計生成的封裝效果圖。iDATA為從CPU發(fā)出的16位數(shù)據(jù)輸入，iWrite和iRead是CPU控制ECG模塊進行寫、讀操作的使能信號，iAddr為寄存器偏移地址，CPU通過發(fā)送偏移地址獲取存儲在該地址內(nèi)的內(nèi)容，iClock和iReset為ECG控制模塊的時鐘信號和復(fù)位信號，iAds Data是從ADS7816采集到的數(shù)據(jù)；oDATA為輸入到CPU的16位數(shù)據(jù)輸出，oAds Enable和oAds Clock為控制ADS7816進行采樣的使能信號和時鐘信號。

圖2 ECG控制器模塊

2.1 A/D轉(zhuǎn)換控制器設(shè)計

AD控制器根據(jù)ADS7816芯片的時序要求，輸出控制信號實現(xiàn)對ADS7816的模數(shù)轉(zhuǎn)換控制、時鐘分頻，同時接收ADS7816輸出的12位串行數(shù)字信號數(shù)據(jù)，通過串/并轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)12位并行數(shù)字信號數(shù)據(jù)的輸出至數(shù)字濾波和心率檢測子模塊。

AD控制器的封裝效果如圖3所示，行為仿真如圖4所示。ADS_DATA為ADS7816輸出的12位串行數(shù)據(jù)輸入，oDATA為12位的并行數(shù)據(jù)輸出，SYS_CLK為系統(tǒng)時鐘，ADS_CLK和ADS_CE為用于ADS7816采樣控制的時鐘信號和使能信號。根據(jù)心電信號的采樣要求，AD控制器設(shè)計的主要參數(shù)為：系統(tǒng)時鐘為50MHz,通過模塊內(nèi)分頻電路將采樣時鐘設(shè)定為20 kHz，采樣頻率設(shè)為1 kHz，每20個時鐘周期采樣一次，其中17個時鐘周期為數(shù)據(jù)采集時間，剩下的3個時鐘周期為復(fù)位時間。從仿真圖可以看出AD控制器準確產(chǎn)生了時鐘信號ADS_CLK、使能信號ADS_CE，并且ADS_DATA串行輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后能準確的并行輸出。

圖3 AD控制器

圖4 AD控制器行為仿真圖

2.2 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計

數(shù)字濾波器實現(xiàn)對ECG信號的數(shù)字濾波，濾除模擬帶通濾波器(通頻帶為0.05～100 Hz,消除基線漂移和電路內(nèi)部噪聲干擾)很難濾除在ECG頻率范圍內(nèi)的50Hz工頻干擾，得到更為精確的ECG信號，同時，通過波形轉(zhuǎn)換程序，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成波形輸出。工頻干擾是影響比較顯著的噪聲之一，由50 Hz市電電壓及其諧波構(gòu)成的一種固定干擾，與心電信號的頻帶重疊，影響心電信號分析，嚴重的甚至?xí)蜎]有用的信號，因此必須采取一定的方法和措施加以抑制。根據(jù)數(shù)字濾波器沖激響應(yīng)的時域特征，可分為FIR濾波器和IIR(Infinite Impluse Response)濾波器。IIR濾波器計算量小，幅頻特性精度高，但它的相位是非線性的，應(yīng)用于能夠容忍相位失真的系統(tǒng)中。FIR濾波器計算量較大，幅頻特性的精度較低，但相比于IIR濾波器具有嚴格的線性相位，沒有相位失真，系統(tǒng)穩(wěn)定，同時它的單位響應(yīng)也有利于對數(shù)字信號的處理，便于編程，計算時延也小，在便攜式和低功耗的背景下容易實現(xiàn)?？紤]到ECG信號對濾波器相位的線性有要求，結(jié)合FIR數(shù)字濾波器的優(yōu)點，我們選用FIR數(shù)字濾波器中的帶阻濾波器為ECG信號進行49～51 Hz帶阻濾波，濾除其中50Hz的工頻信號。FIR數(shù)字濾波器常用的設(shè)計方法有窗函數(shù)法、頻率采樣法和等紋波最佳逼近法等[3]。綜合三種設(shè)計方法的優(yōu)缺點及設(shè)計帶阻濾波器的目的，考慮到窗函數(shù)法設(shè)計比較簡單，實現(xiàn)的性能完全可以達到設(shè)計要求，同時由于帶阻濾波器要求過渡帶盡量的窄，可以快速的從通帶到阻帶。因此選擇窗函數(shù)法下的矩形窗來設(shè)計FIR數(shù)字濾波器。目前，F(xiàn)IR濾波器的實現(xiàn)常采用設(shè)計優(yōu)化好的FIR濾波器IP核，采用IP核的方法可以保證性能，極大地縮短設(shè)計時間[4]，用戶使用這種IP核，根據(jù)實際需要進行簡單的開發(fā)即可，Altera公司提供了FIR濾波器的IP核，所以該數(shù)字濾波器的實現(xiàn)采用Altera公司提供的FIR濾波器IP核，采取一種基于DSP Builder的FPGA設(shè)計方法[5]。首先利用MATLAB中濾波器設(shè)計工具FDAtool工具設(shè)計FIR濾波器系數(shù)，再利用Matlab中的Simulink庫文件下的DSP Builder庫中的各個模塊搭建FIR濾波器系統(tǒng)，然后在Simulink里進行了仿真，并編譯生成VHDL語言，再通過QuartusⅡ軟件對生成的VHDL程序進行編譯和仿真，并利用Matlab對仿真結(jié)果進行了分析，證明所設(shè)計的FIR濾波器功能的正確性，最后實現(xiàn)硬件系統(tǒng)。其設(shè)計界面如圖5所示。

2.3 心率處理器的設(shè)計

心率處理器對心率進行計算。經(jīng)過濾波后的ECG數(shù)據(jù)可準確地進行R波的檢測，進而計算心率。心率的計算通常是通過計算相鄰兩個R波峰值之間的時間間隔求出RR間期來得到(兩個R波之間的間隔即為一個RR間期)[6]。計算公式:心率=60/RR間期。然兒在少數(shù)異常波形中，T波的幅值會超過R波，如果把T波誤判為R波來進行心率計算，則會產(chǎn)生很大的誤差。為了在心率計算時消除T波可能引起的干擾，考慮到R波通常位于0～33 Hz的頻率范圍內(nèi)，而T波位于0～9 Hz的頻率范圍內(nèi)[7]。因此，我們設(shè)計了一個中心頻率f0=12.867 Hz，帶寬B=f0/Q=5.629 Hz，下限截止頻率f1=10.356 5 Hz，上限截止頻率f2=15.985 5 Hz的帶通濾波器，首先將ADS控制器輸出的12位并行ECG信號通過帶通濾波器，以獲取信噪比比較高的QRS波群信息，然后通過采樣(初始采樣頻率設(shè)為100 Hz)計算得出瞬時心率，輸出到寄存器中。

圖6為3輸入2輸出心率計算模塊封裝效果圖。ADSDATA為并行12位的ECG信號輸入端，連接到AD控制模塊的數(shù)據(jù)輸出端；iCLK為模塊的時鐘控制信號，輸入的是AD控制模塊的采樣頻率，即為1 kHz；RST為復(fù)位端；ODATA為26位的信號輸出，在進行波形顯示時，只取高16位作為波形輸入的數(shù)據(jù)，ORATE為心率輸出。

2.4 寄存器編碼模塊的設(shè)計

寄存器編碼模塊實現(xiàn)對心率處理器和FIR濾波器輸出的數(shù)據(jù)進行編碼，將這些數(shù)據(jù)放在指定地址的寄存器中方便CPU的讀取或設(shè)置。我們?yōu)镋CG控制器設(shè)置了3位地址寬度寄存器，占用8個地址空間，每個偏移地址對應(yīng)具體的功能,如偏移地址“0”對應(yīng)寄存器功能“輸出波形縮放系數(shù)”，偏移地址“1”對應(yīng)寄存器功能“輸出波形Y軸偏移量”……。CPU通過發(fā)送偏移地址來獲取存儲在該地址內(nèi)的內(nèi)容。

3 結(jié)語

基于FPGA的心電信號數(shù)字處理與控制模塊利用其高速并行處理數(shù)據(jù)的能力實時地對信號進行處理。模塊設(shè)計采用軟硬件協(xié)同設(shè)計的思想，在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境中，通過硬件描述語言(VHDL)或采用SOPC定制IP核技術(shù)完成AD控制器、心率處理器、FIR濾波器以及寄存器編碼等子模塊的設(shè)計，實現(xiàn)相關(guān)邏輯功能。該模塊研制周期短，成本低，精度高、體積小、功耗低，具有較好的實用性和可擴展性，特別適應(yīng)可穿戴設(shè)備和移動醫(yī)療的需要。