基于FPGA的红外脉搏测量仪控制器的硬件实现

厦门大学嘉庚学院信息科学与技术学院 胡广洲

0 引言

随着FPGA的逐渐普及，其在智能设备中的使用也在逐年增加。FPGA相关产品的智能化水平相比于单片机有了质的飞跃。FPGA的体积更小，功能的可设计性更强，性价比更高，为此其在智能仪表和相关控制领域获得了广泛的应用。

数字式脉搏测量系统的特点是以FPGA控制器为核心，利用控制器的控制，加上其强大的运算功能及在系统可编程的特点。数字显示的脉搏控制电路的显示不仅直观，相比于同类产品测量精度更高，而且能够实现实时自动的监测，所以获得广泛的应用。

脉搏是人体活动最重要、最灵敏和最可靠的信源。科学技术在不断的发展，人们已经习惯了数字化及智能化的数字产品。特别是医疗仪器设备的数字化，让一些不懂得医术的人们，可以通过相应参数的显示，简单判断并了解自身的身体状况。现代的数显的便携的医疗仪器的使用方便性是不言而喻的。

现在获取脉搏的方式多采用压力传感器来获取相应的数据，以实现监测脉搏的目的。科技的发展给人们的日常生活带来了改变，特别是智能化的数显电子产品已经成为了家庭必备的用品。而市场上目前的家庭医疗电子产品中测量血压的单一功能居多。对脉搏进行智能监测的相关仪器产品不多。本设计针对目前家用医疗设备的现状及相应的需求提出了一种新的设计方法，并改进了同类产品的不足[1]。

1 实现方案

光电测量的原理是，通过动脉血不同的氧饱和度对透光性的影响来测量脉搏。人体被测位的血管的扩张和收缩及血液量的变化，都是通过心脏的搏动引起的。脉搏信号的获取，是通过对血浓容量的波动引起了光吸收量的变化而得到的。这个过程要排除非血液组织对光吸收量的影响。

通过对采集信号光电转换以及波形处理，对信号进行计数实现脉搏的测量。

氧合血红蛋白〔HbO2〕和还原血红蛋白（HB）对光普的吸收特点如图1所示[2]。

鉴于人体组织会对测量数据的精度有一定影响。为此在对光波的波长进行选择时，要求氧合血红蛋白与还原血红蛋白对这一波段的吸光能力要强于非血液组织。但是，也不能选择吸光系数太大的波段，如果吸光系数太大，透射光会极弱，不容易检测环境周围光的变化，有可能对测量的数据造成大的偏差。

由于氧合血红蛋白Hb02和还原氧合蛋白Hb对600nm以下波长光的吸光系数过大，不适宜权饱和度检测．从图1看到该光波波长应该在805nm左右，要做到理论上绝对相等是很难实现的。而该点的吸光系数随波长变化幅度比较大，这样当发光管存在个体差异时，很不利于调试替换，而在900—950nm这个波段，两曲线变化缓慢且接近重合，所以一般将波长选在此波段。光波长选在650nm附近，因为在该波段处，光对氧合血红蛋白HbO2和还原血红蛋白Hb吸收系数之差最大。本设计选用660nm红光和905nm红外光的两种单色光[3]。

图1 红光和红外光吸收曲线

反射式血氧饱和度检测系统是将反射式的传感器贴在人体表面，入射光经过人体组织后，由于组织对光的吸收和散射作用，从与入射光位于同一表面的接收部分收集经过了血管床中的血流调制的反射光信号，经过信号的放大、分离、有源滤波后，削抖。在FPGA的控制下通过数码管正确的显示。

2 控制器的结构

此系统以FPGA为核心控制器件。硬件电路共分四部分：脉搏信号的采集、处理、FPGA数据处理系统以及数码显示串行通信部分。控制器的结构如图2所示。

2.1 脉搏信号数据的获取及处理

用红外线传感器来实现对脉搏信号的获取，红外传感器主要是通过对光源的控制来实现数据的采集。

对光源的控制电路如图3所示。控制电路能够产生序列脉冲，传感器上的波长为660nm和905nm的发光二极管就会被驱动。方波信号A（频率为572Hz、占空比为1/6）是由方波发生器产生的，方波信号A经过二分频之后会产生信号C。之后信号C和信号A共同控制再产生信号D和信号E，然后由信号D和信号E通过相应的驱动器来控制相对应的发光二极管，使得二极管按照相应的时序进行发光和熄灭。

图2 脉搏自动测量系统框图

图3 光源控制和驱动电路

2.2 脉搏信号的放大

通过动脉血管床的光信号，会被相应传感器接收，然后将其转换成需要的电信号，该电信号中含有红外光和红光及暗光的信息。而且此电信号是比较微弱的，为此需要先用一个放大电路对其进行放大处理。相应的放大电路需要具有比较高的共模干扰抑制能力。该测量放大电路具有输入阻抗高，失调电压低，放大倍数稳定，输出阻抗低等特点。为此，该结构的放大电路常常会被应用在医学的测量，或者需要对微弱信号进行处理的相应场合［4］。

为了避免外界的光对系统的影响，本设计中采用了一种比较稳定的结构，采用同步检波的方法，对正/负极性进行切换的电路。经过这种稳定的结构之后，运用传感器控制模块所产生的相应信号来控制模拟开关的闭合和断开，进而使得相应信号能够分成红光和红外光。之后用低通滤波和高通滤波对这两路信号进一步进行处理。电路如图4所示。

图4 信号放大电路

3 控制器电路设计

3.1 FPGA核心芯片的选择

FPGA能够对控制器系统的各项功能进行管理，并完成对相应数据进行处理的任务。FPGA通过对相应接口的数据进行采集，并进行数据的分析处理，脉搏数字也可由数码管直接显示。本系统采用的FPGA是Altera公司生产的，采用了TSMC的28-nm低功耗(28LP)工艺进行开发的Cyclone VSoc系列的5CSEMA5F31C6N。这款芯片有如下特点：

总功耗比Cyclone IV GX FPGA低40%。单通道的功耗在5Gbps时仅有88mW。

在功耗不到1.8W时，相应处理器的性能超过4,000MIPS[5]。

此款FPGA为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.2 FPGA配置电路的设计

为了使得FPGA实现相应的数据处理的能力，本设计通过EPCS128作为FPGA的配置芯片来完成相应的配置工作。

EPCS128是串行配置器件，在可编程工业领域中是一款低成本的配置芯片。

存储器容量达128Mbit，工作电压范围2.7-3.6V。配置使用AS模式（主动串行）。

系统重新上电之后必须重新进行配置。配置完成之后，I/O引腿和寄存器就会被初始化，之后就会进入用户状态。FPGA配置的连接图如图5所示。

图5 FPGA配置的连接图

4 结束语

本设计能够实现脉搏的自动测量和实时显示的功能要求，能够较为准确地测量数据。实验电路简单，占用的空间比较小，满足了便携要求，能够较为方便的为用户及时提供自己的心率数据。

从测试情况看，系统基本满足预期设想正常工作。安全性更高，具有推广价值。