基于FPGA的紅外脈搏測量儀控制器的硬件實現

廈門大學嘉庚學院信息科學與技術學院 胡廣洲

0 引言

隨著FPGA的逐漸普及，其在智能設備中的使用也在逐年增加。FPGA相關產品的智能化水平相比于單片機有了質的飛躍。FPGA的體積更小，功能的可設計性更強，性價比更高，為此其在智能儀表和相關控制領域獲得了廣泛的應用。

數字式脈搏測量系統的特點是以FPGA控制器為核心，利用控制器的控制，加上其強大的運算功能及在系統可編程的特點。數字顯示的脈搏控制電路的顯示不僅直觀，相比于同類產品測量精度更高，而且能夠實現實時自動的監測，所以獲得廣泛的應用。

脈搏是人體活動最重要、最靈敏和最可靠的信源。科學技術在不斷的發展，人們已經習慣了數字化及智能化的數字產品。特別是醫療儀器設備的數字化，讓一些不懂得醫術的人們，可以通過相應參數的顯示，簡單判斷并了解自身的身體狀況。現代的數顯的便攜的醫療儀器的使用方便性是不言而喻的。

現在獲取脈搏的方式多采用壓力傳感器來獲取相應的數據，以實現監測脈搏的目的。科技的發展給人們的日常生活帶來了改變，特別是智能化的數顯電子產品已經成為了家庭必備的用品。而市場上目前的家庭醫療電子產品中測量血壓的單一功能居多。對脈搏進行智能監測的相關儀器產品不多。本設計針對目前家用醫療設備的現狀及相應的需求提出了一種新的設計方法，并改進了同類產品的不足[1]。

1 實現方案

光電測量的原理是，通過動脈血不同的氧飽和度對透光性的影響來測量脈搏。人體被測位的血管的擴張和收縮及血液量的變化，都是通過心臟的搏動引起的。脈搏信號的獲取，是通過對血濃容量的波動引起了光吸收量的變化而得到的。這個過程要排除非血液組織對光吸收量的影響。

通過對采集信號光電轉換以及波形處理，對信號進行計數實現脈搏的測量。

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

鑒于人體組織會對測量數據的精度有一定影響。為此在對光波的波長進行選擇時，要求氧合血紅蛋白與還原血紅蛋白對這一波段的吸光能力要強于非血液組織。但是，也不能選擇吸光系數太大的波段，如果吸光系數太大，透射光會極弱，不容易檢測環境周圍光的變化，有可能對測量的數據造成大的偏差。

由于氧合血紅蛋白Hb02和還原氧合蛋白Hb對600nm以下波長光的吸光系數過大，不適宜權飽和度檢測．從圖1看到該光波波長應該在805nm左右，要做到理論上絕對相等是很難實現的。而該點的吸光系數隨波長變化幅度比較大，這樣當發光管存在個體差異時，很不利于調試替換，而在900—950nm這個波段，兩曲線變化緩慢且接近重合，所以一般將波長選在此波段。光波長選在650nm附近，因為在該波段處，光對氧合血紅蛋白HbO2和還原血紅蛋白Hb吸收系數之差最大。本設計選用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系統是將反射式的傳感器貼在人體表面，入射光經過人體組織后，由于組織對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過了血管床中的血流調制的反射光信號，經過信號的放大、分離、有源濾波后，削抖。在FPGA的控制下通過數碼管正確的顯示。

2 控制器的結構

此系統以FPGA為核心控制器件。硬件電路共分四部分：脈搏信號的采集、處理、FPGA數據處理系統以及數碼顯示串行通信部分。控制器的結構如圖2所示。

2.1 脈搏信號數據的獲取及處理

用紅外線傳感器來實現對脈搏信號的獲取，紅外傳感器主要是通過對光源的控制來實現數據的采集。

對光源的控制電路如圖3所示。控制電路能夠產生序列脈沖，傳感器上的波長為660nm和905nm的發光二極管就會被驅動。方波信號A（頻率為572Hz、占空比為1/6）是由方波發生器產生的，方波信號A經過二分頻之后會產生信號C。之后信號C和信號A共同控制再產生信號D和信號E，然后由信號D和信號E通過相應的驅動器來控制相對應的發光二極管，使得二極管按照相應的時序進行發光和熄滅。

圖2 脈搏自動測量系統框圖

圖3 光源控制和驅動電路

2.2 脈搏信號的放大

通過動脈血管床的光信號，會被相應傳感器接收，然后將其轉換成需要的電信號，該電信號中含有紅外光和紅光及暗光的信息。而且此電信號是比較微弱的，為此需要先用一個放大電路對其進行放大處理。相應的放大電路需要具有比較高的共模干擾抑制能力。該測量放大電路具有輸入阻抗高，失調電壓低，放大倍數穩定，輸出阻抗低等特點。為此，該結構的放大電路常常會被應用在醫學的測量，或者需要對微弱信號進行處理的相應場合［4］。

為了避免外界的光對系統的影響，本設計中采用了一種比較穩定的結構，采用同步檢波的方法，對正/負極性進行切換的電路。經過這種穩定的結構之后，運用傳感器控制模塊所產生的相應信號來控制模擬開關的閉合和斷開，進而使得相應信號能夠分成紅光和紅外光。之后用低通濾波和高通濾波對這兩路信號進一步進行處理。電路如圖4所示。

圖4 信號放大電路

3 控制器電路設計

3.1 FPGA核心芯片的選擇

FPGA能夠對控制器系統的各項功能進行管理，并完成對相應數據進行處理的任務。FPGA通過對相應接口的數據進行采集，并進行數據的分析處理，脈搏數字也可由數碼管直接顯示。本系統采用的FPGA是Altera公司生產的，采用了TSMC的28-nm低功耗(28LP)工藝進行開發的Cyclone VSoc系列的5CSEMA5F31C6N。這款芯片有如下特點：

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

在功耗不到1.8W時，相應處理器的性能超過4,000MIPS[5]。

此款FPGA為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。

3.2 FPGA配置電路的設計

為了使得FPGA實現相應的數據處理的能力，本設計通過EPCS128作為FPGA的配置芯片來完成相應的配置工作。

EPCS128是串行配置器件，在可編程工業領域中是一款低成本的配置芯片。

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

系統重新上電之后必須重新進行配置。配置完成之后，I/O引腿和寄存器就會被初始化，之后就會進入用戶狀態。FPGA配置的連接圖如圖5所示。

圖5 FPGA配置的連接圖

4 結束語

本設計能夠實現脈搏的自動測量和實時顯示的功能要求，能夠較為準確地測量數據。實驗電路簡單，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提供自己的心率數據。

從測試情況看，系統基本滿足預期設想正常工作。安全性更高，具有推廣價值。