基于FPGA的多路微弱醫學生物電信號處理系統

黃學業，凌朝東，黃銳敏，萬 安

（華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門361008）

1 引 言

隨著世界人口老齡化進程的加快以及個人對健康的關注程度增加，醫療電子終端市場有了顯著的發展［1］。不論在醫療診斷，還是在科學研究等方面，生物電信號都有著重要的意義［2］。生物電信號一般都很微弱，腦電信號幅值大小為0.001～0.1mV，主頻帶范圍為0.5～40 Hz；心電的幅值大小為1～5mV，主頻帶范圍為0.05～100Hz。因此，生物電信號采集系統各個通道通常都需要獨立的模擬放大、濾波等模塊，其體積往往較大，限制了儀器的應用推廣，這給一些專用的生物電信號提取電極芯片提供了發展的契機［3］。本文采用德州儀器（TI）公司的ADS1198芯片采集生物電信號，節省了大量的外圍電路；并利用FPGA 芯片高速并行處理數據的能力實時地對信號進行處理；采用軟硬件協同設計的技術，利用SOPC定制IP，每一個模塊都能夠單獨完成，又能輕松地整合在一起形成一個系統。本系統具有可復用、便攜、功耗低、實時性強等特點，提供了一種全新的生物電信號的采集方案。

2 系統總體設計方案

本系統硬件主要由模擬前端電路模塊ADS1198、FPGA 數字系統開發平臺DE2＿70、液晶屏模塊TRDB－LTM 構成。系統可分成三大功能模塊：生物電信號采集、放大及隔離等預處理模塊、生物電信號處理及控制模塊、LCD 波形顯示、數據存儲及人機交互模塊［4］。圖1為系統總體設計框圖。

圖1 系統總體設計框圖Fig.1 System overall design diagram

（1）生物電信號采集、放大及隔離等預處理模塊：采用德州儀器（TI）公司的全面集成的模擬前端（AFE）芯片ADS1198為核心的模擬前端電路實現生物電信號的采集、放大、隔離等預處理操作。

（2）生物電信號處理及控制模塊：利用FPGA強大的快速并行處理數據的能力，實時地處理生物電信號，控制系統各個模塊的協調工作。我們能在一個系統中嵌入多個主設備（包括AD、LCD的IP）來實現數據的傳輸，大大減輕了CPU 的負擔；同時能快速升級硬件模塊，只需進行相應的定制，一個IP 就能掛接到總線上；所有IP 都采用Avalon總線架構，并采用統一的同步時鐘。

（3）LCD 波形顯示、數據存儲及人機交互模塊：采用數字式觸摸面板液晶屏TRDB＿LTM、SD卡及按鍵來實現波形的顯示、數據存儲和人機交互的功能。LCD 通過自己編寫的IP 核，以Avalon從設備的方式連接到Nios II處理器。SD卡采用SPI總線模式，傳輸協議較簡單，易于實現［5］。按鍵用來控制系統的復位、啟動及關閉等功能。

3 各個模塊的具體設計方案

3.1 生物電信號采集、放大及隔離等預處理模塊

本系統采用TI公司的ADS1198為核心的模擬前端電路。ADS1198具有以下主要特性［6］：

（1）8通道16位ADC轉換芯片，其采樣頻率范圍是125sps～8ksps。

（2）各通道含可編程放大器，其放大倍數在1～12倍可調；CMRR 達到－105dB。

（3）內置右腿驅動放大器和威爾遜中心電端。

（4）低功耗：每個通道0.55mW。

ADS1198模擬前端的輸入電路包括二階無源低通濾波電路和限幅電路，分別起到了消除高頻干擾和過壓保護的作用。其中，低通截止頻率為30kHz，可通過電壓幅值范圍為±700 mV。圖2為ADS1198模擬前端的輸入電路。

圖2 ADS1198模擬前端的輸入電路Fig.2 Input of ADS1198analog front end circuit

根據實際應用需要，FPGA 通過SPI總線發送指令，配置ADS1198 芯片內部的多路選擇器（MUX）實現各個輸入端（INPUTS、RLD）的通斷，設置可編程放大器（A1～A8）的放大倍數和AD 轉換器（ADC1～ADC8）的采樣頻率等。當ADS1198芯片完成一次轉換，Data Ready引腳變為低電平，通知FPGA 通過SPI總線讀取數據。圖3為ADS1198模擬前端的核心電路。

圖3 ADS1198模擬前端的核心電路Fig.3 Core of the ADS1198analog front end circuit

3.2 LCD 波形顯示、數據存儲及人機交互模塊

本系統的LCD 顯示模塊選用TRDB＿LTM，這是Altera公司提供的一款數字式觸摸面板液晶屏。TRDB＿LTM 主要包括液晶觸摸面板模塊、AD 轉換器和40 引腳擴展信號接口等模塊［7］。40 引 腳 擴 展 信 號 接 口 用 來 連 接DE2／DE2＿70／DE1等開發平臺預留的40引腳擴展端口；液晶觸摸面板模塊從FPGA 中得到輸入的控制信號并將圖像顯示在液晶面板上；AD 轉換器將觸摸點的坐標值輸出給FPGA 的預留接口，從而實現觸摸控制效果。圖4為TRDB＿LTM 的整體框圖。

讀寫SD 卡實現本系統的數據存儲。SD 卡的總線模式可分為兩種：SD 總線模式和SPI總線模式。在SD 總線模式下，4條數據線并行傳輸數據，數據傳輸速率高，但是傳輸協議較復雜；而在SPI總線模式下，只有一條數據傳輸線，數據傳輸速率較低，但傳輸協議簡單，易于實現。本系統采用SPI總線模式。

圖4 TRDB＿LTM 整體框圖Fig.4 Overall block diagram of TRDB＿LTM

SPI總線由同步時鐘線SCK（SD＿CLK）、主機輸入／從機輸出數據線MISO（SD＿DAT）、主機輸出／從機輸入數據線MOSI（SD＿CMD）3 根線組成。此外，還有一條從機片選擇線CS（SD＿DAT3）。FPGA 提供SPI系統的片選信號以及同步時鐘脈沖。SPI總線模式的數據是以字節為單位進行傳輸的。主機與SD 卡的各種通信都由主機控制，主機在對SD 卡進行任何操作前都必須先拉低SD 卡的片選信號CS，然后由主機向SD 卡發送命令，SD 卡對主機發送的任何命令都要進行響應，不同的命令會有不同的響應格式（1字節或2字節響應）。SD 卡除了對命令響應外，在執行寫操作時，還要對主機發送的每個數據塊進行響應（向主機發送一個特殊的數據響應標志）。圖5是SD 卡SPI模式下的電氣接口。

圖5 SD 卡SPI模式下的電氣接口Fig.5 Electrical interface of SD card in the SPI mode

此外，本系統采用DE2＿70上的按鍵，實現系統的復位、啟動及關閉等功能。

3.3 生物電信號處理及控制模塊

本系統采用軟硬件協同設計的思想。在FPGA 上，采用SOPC 定制IP 核的技術，單獨完成各個模塊，再將各個模塊整合在一起形成一個系統，CPU 采用Altera公司提供的Nios II軟核處理器。

Nios II軟核處理器采用Avalon 交換式總線［8］。該總線是Altera開發的一種專用的內部連線技術，用來連接系統處理器、內部IP 模塊以及外設等。Avalon交換式總線使用最少的邏輯資源來實現數據總線的復用、地址譯碼、等待周期的產生、外設的地址對齊（包括支持原始的和動態的總線尺寸對齊）、中斷優先級的指定以及高級的交換式總線傳輸等功能。在傳統的總線控制模式下，當一個master用總線時，其他的單元不能同時使用，而Avalon總線卻允許它們共享，由此大大提高了資源的利用率。

3.3.1 SOPC定制硬件系統

外接時鐘使用50 MHz，系統時鐘150 MHz由內部pll IP產生的倍頻時鐘提供。在構建了包含cpu、tri＿state＿bridge、cfi＿flash、sdram、epcs＿controller、jtag＿uart等組件的最小系統的基礎上，添加LTM、ADS1198、FIR、SD 等接口IP 模塊，分別實現對系統中TRDB＿LTM、AD、FIR、SD 卡等功能模塊的控制。圖6 是系統的SOPC硬件平臺。

圖6 SOPC硬件平臺Fig.6 SOPC hardware platform

3.3.2 Nios II軟件開發環境實現軟件編程

系統的軟件部分在Nios II軟件開發環境下實現。系統上電后，等待系統初始化；初始化完畢，生物電信號通過放大、隔離、濾波等預處理后，AD 轉換成數字信號；接著，利用FIR 數字濾波器濾除信號中的50Hz工頻噪聲等干擾；最后，存儲數據，并在TRDB＿LTM 上顯示波形。圖7為系統軟件流程圖。

圖7 系統軟件流程圖Fig.7 Flow chart of system software

4 實驗結果

本系統對心電信號進行測試。該測試是在室內常溫環境下，被測人體端坐在椅子上，身體自然放松。連接好DE2＿70、TRDB＿LTM、ADS1198模擬前端電路等模塊后，連接人體的左手腕、右手腕和右腳踝，再由蓄電池供電，即可測得正常人的心電波形圖。系統的采樣頻率為500 Hz。利用波形的補點處理技術［9］，可以得到更為明亮緊湊的波形。圖8是利用Matlab平臺對所存儲的波形數據進行驗證。表1是實驗測試結果分析。

圖8 存儲數據在Matlab上畫出的波形Fig.8 Waveform draw in the Matlab

表1 實驗測試結果分析Tab.1 Analysis of experimental results

續表

5 結 論

介紹了一種基于FPGA 的全新的多路微弱醫學生物電信號采集方案，具有精度高、體積小、功耗低、實時性強等特點。采用軟硬件協同設計的思想，定制SOPC 的IP模塊的設計方法，可以方便快捷地實現產品的升級更新。該產品具有較廣闊的市場前景。今后的研究重點是根據具體的腦電或心電應用，進行相應的算法研究，開發出具有實際應用前景的腦電或心電設備。

［1］ 陳穎瑩.德州儀器為ECG 和EEG 量身打造全面集成的模擬前端［J］.電子技術應用，2010（5）：3－3.Chen Y Y.Texas instruments make comprehensive integrated analog front end for ECG and EEG.Electronic Technology Application，2010（5）：3－3.（in Chinese）

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［3］ 凌朝東，黃群峰，張艷紅，等.腦電信號提取專用電極芯片的設計［J］.華僑大學學報，2007，28（3）：260－263.Ling C D，Huang Q F，Zhang Y H，et al.Brain electrical signal extraction electrode chip design［J］.Journal of Huaqiao University，2007，28（3）：260－263.（in Chinese）

［4］ Huang X Y，Wan A，CHEN Z J.Development of EEG－based Intelligent Wheelchair Based on FPGA ［J］.The 1st Asia－Pacific Workshop on FPGA Applications，2012，1（1）：79－91.

［5］ 張洪濤，莫文承，李兵兵.基于SPI協議的SD 卡讀寫機制與實現方法［J］.電子元器件應用，2008，10（3）：42－43，47.Zhang H T，Mo W C，Li B B.Mechanism and implementation method of SD card reading and writing based on the SPI protocol［J］.Electronic Component ＆Device Applications，2008，10（3）：42－43，47.（in Chinese）

［6］ TI.ADS1198Datasheet［EB／OL］.［2011－11］.http：／／www.ti.com.cn／cn／lit／ds／symlink／ads1198.pdf.

［7］ Altera.TRDB＿LTM User Manual［EB／OL］.［2011－06］.http：／／www.terasic.com.tw／cgi－bin／page／archive＿download.pl Language＝English＆No＝213＆FID＝b226168825c32dd5d7064e9a57f42b0b.

［8］ 凌朝東，洪華峰，李國剛，等.基于NIOS II的便攜式遠程醫療監護器硬件平臺的設計［J］.儀器儀表學報，2008，29（2）：336－341.Ling C D，Hong H F，Li G G，et al.Hardware design of portable telemedicine monitoring equipment based on NIOS II soft－core［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，29（2）：336－341.（in Chinese）

［9］ 徐洋.40Gsps隨機取樣數字示波器關鍵技術預先研究［D］.成都：電子科技大學，2004.Xu Y.The key technology research in advance 40GSPS random sampling digital oscilloscope［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2004.