一种便携式心电分析系统的硬件开发

杨子立

(常州工学院电气与光电工程学院，江苏常州213002)

一种便携式心电分析系统的硬件开发

杨子立

(常州工学院电气与光电工程学院，江苏常州213002)

在动态心电图机的基础上，开发了一个与之配套使用的FPGA实验电路板，可以实时提取心电信号的波形，对心脏性猝死发出预警，弥补了现有的便携式心电图机(如Holter)难以实时分析诊断的不足。该系统可以结合VHDL与SOPC，在FPGA电路板上实现对心电数据的读取、解码、运算，并用串口将结果发送到PC端，用Matlab的GUI界面显示出来。经测试，该系统性能优良、功耗小、方便携带。

FPGA；ECG；实时诊断；疾病预测

Abstract：A FPGA-based portable ECG monitoring system is designed.The FPGA PCB is developed based on the ECG amplifier.The FPGA PCB can accomplish ECG waveform feature extraction and predict sudden cardiac death in real time,which overcomes the shortcoming of present portable ECG monitoring system(e.g.Holter),that is lack of real-time analysis & diagnosis.This monitoring system combines VHDL and SOPC,receiving ECG waveform,decoding the waveform,extracting waveform feature and predicting abnormal ECG by outputting through the FPGA PCB.It sends the result to PC through serial port.The final result can be displayed on GUI interface by Matlab.The test shows that the system has a good performance with low power consumption and easy portability.

Key words：field-programmable gate array;electrocardiogram;real-time diagnosis;disease prediction

随着人们生活水平的不断提高，膳食结构的不尽合理，体力活动的减少，生活节奏的加快，社会心理压力的增加，心血管疾病发病人数不断增加。心血管疾病是当今人类死亡率最高的疾病之一。一旦发生心脏骤停, 抢救每延迟1 min, 抢救成功的机率就降低7%～10%[1]。 医院外心脏性猝死的存活率不及15%，即使患者能及时到达医院, 出院时存活率也不及20%[2]。因此，对心血管疾病的监护和及时诊断至关重要。心血管疾病的诊断手段主要是心电图，心电图在预防心脏性猝死方面具有重要意义[3]。动态心电图机(如Holter)可以实现24 h便携式的心电记录，但缺点在于不能实时对数据进行处理，必须将存储的信息带回医院终端进行分析。目前，具有即时诊断功能的心电监护技术正成为研究热点[4]。笔者设想在Holter的基础上加以改进，使用FPGA对采集的心电信号进行实时处理，增加即时诊断功能，一旦发现有急性心脏猝死等相关症状，即进行报警。

在嵌入式系统中，FPGA可以根据用户需要进行灵活设计，其内部集成有许多硬件单元电路，如PLL、硬件乘法器、选择器和除法器等。芯片厂商往往还会提供一定数量的IP核，这使整个嵌入式系统的开发变得轻松容易，而且稳定可靠。许多厂商还在FPGA内部集成了不同类型的处理器以更好地发挥FPGA的高度灵活性，使其同样易于运用在控制领域。配合SOPC技术，系统的整体灵活性得到了极大的提高和改善。因此，本系统选择FPGA作为MCU[5]。

以动态心电图机为基础，设计并实现了与之配套使用的FPGA实验电路板，包括电源设计、外设设计、FPGA芯片的连接和配置等。该硬件开发板，可结合VHDL与SOPC，实现对心电数据的读取、解码、运算，并用串口将结果发送到PC端，用Matlab的GUI界面显示出来。

1 总体设计

笔者设计了一独立的、便携式的小型FPGA系统：该系统可以使用手机电池(3.7 V)供电，使用串口接收从心电放大器串口传输过来的数据，在FPGA片内对数据进行计算，并用串口将数据发送出去。FPGA可以支持2种配置模式，一是JTAG在线配置，配置速度快，但断电后数据丢失；二是主动串行配置(AS)模式，该模式将程序烧写到片外的Flash中，掉电后还存在，可擦除。为方便调试，电路板上设有按键和LED灯。该开发板支持扩展功能，有AD转换芯片、显示屏以及12个I/O扩展口。

总体架构如图1所示。

图1 FPGA总体框图

根据低功耗、低成本的需求，使用Altera公司的Cyclone III系列中的EP3C40Q240C8作为FPGA芯片。

2 电源设计

本系统总共需要3个电源：一是外设(如串口、AD等)的供电电压，为+5 V；二是FPGA芯片I/O的供电电压，给芯片的4个Bnak供电，电压都为3.3 V；三是FPGA内核电压，为1.2 V。考虑便于携带，系统使用手机电池(3.7 V)作为供电电源。电源的设计分成两部分：一是将电压从3.7 V升到5 V，二是将电压从5 V转换为3.3 V和1.2 V。

2.1 从3.7 V到5 V变压电源

根据Cyclone III系列的功率与时钟频率的关系，可以计算出在使用27 MHz晶振时FPGA芯片的功率约为0.2 W，加上各种外设，功耗在0.3 W左右。按平均功率的4倍来设计电源，电源的最大输出功率应为1.2 W。这里3.7 V到5 V变压芯片选择Maxim公司的Max1709DC-DC转换芯片，该芯片最大输出功率可达20 W，输出纹波小，可以完成转换任务。

2.2 从5 V到3.3、1.2 V变压电源

本方案采用Ti公司的带有集成高端 MOSFET 的3 A 非同步降压转换器TPS54386，将一路信号从5 V降为3.3 V，另一路信号由5 V降为1.2 V。TPS54386支持4.5 V到28 V的输入电压，输出电压可以在0.8 V到输入电压的90%之间连续调节，支持2路输出信号。

图3 FPGA芯片I/O口分配

3 其他外设

心电放大器的数据使用串口接收，并用串口将数据发送到电脑上，在PCB板上需要2个RS232接口。这里的串口电平转换芯片使用普通的MAX232芯片。

在此PCB板上还设有4个按键与4个LED灯，以方便调试和控制。

为扩展PCB功能，使之具有AD采集能力，为以后自行设计心电放大器提供接口，在PCB上扩展了1块AD芯片。选取的AD芯片为ADC0809FN，其采样分辨率为8位，以逐次逼近原理进行模—数转换。其内部有1个8通道多路开关，可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的1个进行A/D转换。虽然逐次逼近式的芯片转换速率较慢，但心电信号为低频信号，足以满足采集的要求，原理图如图2。

为显示图像，扩展一LCD模块，型号为TS8007K。另外，还有一些I/O口作为备用。

图2 外接AD转换器原理图

4 FPGA芯片

FPGA芯片的BANK1～BANK4的I/O口的供电电压都选取为3.3 V，晶振选取27 MHz。

FPGA芯片的I/O口连接方式如图3。

这里设计了FPGA器件的2种配置方式，即JTAG和AS方式。选取EPCS16作为配置器件，最大可容纳的程序量为16 MB。

5 Matlab的GUI界面

将数据使用串口发送到PC后，为直观显示心电波形和运算、判断结果，在PC上使用Matlab设计1个GUI界面，用来接收数据和实时显示结果。界面可以显示的结果有心电波形、PR间期长度、QRS间期长度、QT间期长度、ST间期长度、心率数据、J波检测结果、ST段检测结果、心电总体检测结果。GUI界面运行结果如图4所示。

图4 GUI界面运行结果

6 结语

本文设计了一小型FPGA硬件系统，可结合VHDL与SOPC，实现心电实时分析技术，提取心电的各波形特征，并进行心电是否异常的判断，将数据通过串口发送到电脑上，在电脑上用GUI界面显示出来。经测试，该系统性能优良、功耗小，携带方便。

[1]王方正.心脏性猝死高危患者的识别[J].临床心电学杂志，2007(5)：341-343.

[2]JIN Zhanpeng,SUN Yuwen,CHENG A C.Predicting cardiovascular disease from real-time electrocardiographic monitoring:an adaptive machine learning approach on a cell phone[J].Engineering in Medicine and Biology Society,2009:6889-6892.

[3]王红宇.临床监护心电图学[M].北京：中国医药科技出版社，2011.

[4]苌飞霸，尹军，张和华，等.一种基于智能终端的人体心电信号监护系统设计[J].传感技术学报,2014(3):89-92.

[5]张德学.FPGA现代数字系统设计及应用[M].北京：清华大学出版社，2015.

责任编辑：陈 亮

Development and Circuit Design of a Portable ECG Analysis System

YANG Zili

(School of Electrical and Photoelectric Engineering,Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002)

10.3969/j.issn.1671- 0436.2015.06.005

2015-10-10

杨子立(1965— )，女，硕士，教授。

TP391

A

1671- 0436(2015)06- 0021- 04