摘  要： 介紹了一種人體脈搏信號的采集系統，通過專用的脈搏傳感器采集信號，將得到的信號經過預處理后送到FPGA，暫存到RAM中，同時用FPGA驅動VGA接口實時顯示脈搏波形。利用FPGA的片內資源RAM實現了脈搏波形圖像的動態顯示，實時性好、畫面清晰，為后續的生理病理信息提取提供了有效支持。
關鍵詞： 脈搏信號；FPGA；VGA；RAM

　脈搏信號中包含人體重要的生理病理信息，常作為心血管疾病診斷和治療的依據。隨著信息采集技術以及生物醫學的迅速發展，脈搏信號的獲取也有了新的方法。本文提出將脈搏信號實時顯示出來，為診治醫師提供足夠的病理信息，提高傳統脈診的效率。
　本系統的脈搏信號顯示借助VGA接口來實現。以往對于VGA顯示的研究側重于VGA接口驅動技術，主要實現VGA靜態顯示[1-2]。基于此種現象，本文提出了利用雙口RAM來實現脈搏采集數據的存儲與讀取，從而可以實現實時顯示，結果證明此方案可以很好地滿足要求。同時，本系統充分利用了FPGA的硬件資源，取代了VGA的專用顯示芯片，降低了系統的開發成本，提高了系統的集成度。
1 總體設計
　采集到的脈搏信號往往比較微弱，而且伴隨著很多噪聲。因此需要濾波、放大等處理電路進行預處理。脈搏信號屬于模擬信號，要想送到FPGA處理，需進行模/數轉換。FPGA將數字信號存儲在內部RAM中，并利用Verilog HDL語言編寫VGA顯示控制模塊，驅動顯示器顯示脈搏波形。整個系統的原理框圖如圖1所示。

2 系統實現
2.1 信號處理電路
　脈搏信號存在頻率低、信號弱、噪聲嚴重等問題。脈象頻譜分析表明，脈象能譜中99%的能量集中在10 Hz以下[3]，而且正常成人的脈搏跳動次數為60~100次/min，脈率是1~1.67 Hz。為了濾除噪聲，又不影響脈搏信號的能量，選擇0.8~20 Hz作為信號的頻帶寬度。因此，本設計的信號處理電路主要由前置放大器、高通濾波器、低通濾波器、主放大器組成。信號處理電路圖如圖2所示。


　經分析，信號處理電路的頻率帶寬為0.72 Hz~20 Hz，放大倍數為300多倍，可以完成功能要求。另外，實際中將R7用10 k?贅的電位器代替，從而實現放大倍數可調的目的，適用更多的場合。
2.2 A/D轉換
　A/D轉換芯片主要完成模擬信號到數字信號的轉換。ADC0804是逐次比較型集成A/D轉換器，分辨率為8位，轉換時間為100 μs，輸入電壓范圍為0~5 V，而且價格便宜、操作簡便。基于以上特點，本設計選用ADC0804作為A/D轉換芯片。對經過處理電路處理的脈搏信號進行采樣，并將得到的數字信號送到FPGA中。
2.3 FPGA控制
　本系統的FPGA控制部分主要由分頻模塊、RAM、VGA控制模塊三部分組成。
根據電視原理有關VGA顯示的內容可知，VGA顯示采用逐行掃描方式。掃描是從屏幕的左上方開始，從左到右、從上到下。本系統采用640×480@60 Hz顯示模式，其中60 Hz為場掃描頻率。對于一個場掃描頻率為60 Hz、分辨率為640×480的顯示模式，其典型的VGA時序表如表1所示。

　由表1可以計算出VGA驅動所需的時鐘頻率為800×552×60 Hz=25.2 MHz。而FPGA的時鐘頻率為50 MHz，因此需要一個分頻模塊，實現二分頻的功能。
　VGA控制部分主要是產生行同步信號（Hsync）和場同步信號（Vsync），模擬VGA的顯示時序表。此模塊的設計思想是模擬逐行掃描的過程，每行800個像素點，掃完一行，接著掃第二行，一共有525行。因此，可以設計兩個計數器，行計數器（h_cnt）和列計數器（v_cnt）。h_cnt從0開始計數，計到799后歸零；v_cnt也從0開始計數，計到524后歸零，并且在h_cnt計到799后，v_cnt加1，clk_25m作為兩個計數器的觸發脈沖。當h_cnt=96時，Hsync=1；當h_cnt=0時，Hsync=0。類似的，當v_cnt=2時，Vsync=1；當v_cnt=0時，Vsync=0。從而實現了行同步信號和列同步信號的產生，并模擬了VGA顯示時序表。行計數器的程序流程圖如圖3所示。

　顯示器是由一個個像素點組成的，如果是640×480的顯示模式，就意味著每行有640個像素點，每列有480個像素點，一共是307 200個像素點。圖像在顯示器上顯示，其實就是點亮相應的像素點。因此，基于這種理解，可以將脈搏波形當作一幅圖像，波形走過的地方就是相應的像素點被點亮了。因此對脈搏信號采樣，得到的就是相應的像素點。如果將采樣值作為列坐標，第幾次采樣作為行坐標，就可以確定一個像素點，繼而可以描繪出一幅脈搏波形圖。
　通過上面的分析過程，提出一個解決方案，就是尋找一個存儲介質，既可以讀，又可以寫。而FPGA正好有這樣的資源，于是采用RAM來充當這個存儲介質。從VGA顯示原理已經知道，VGA顯示采用的是逐行掃描的方式。如果將采樣值作為RAM的地址，也是列坐標，而將第幾次采樣作為相應的存儲單元存儲的內容，同時也是行坐標。這樣既有了行坐標，又有了列坐標。當VGA掃描時，掃描到某一行，就到相應的RAM存儲單元取出其中的內容，并判斷是否與當前掃描到的行坐標相同，如果相同則點亮此像素點，否則就不點亮。這就是RAM部分的設計思想。
3 系統調試
3.1 脈搏采集部分
　將處理電路測試完畢，并連接上脈搏傳感器，對人體脈搏信號進行采集，利用示波器顯示脈搏波形，如圖4所示。可見該部分電路工作正常，并且能滿足設計要求。

    圖中clk_50m為系統時鐘輸入，頻率為50 MHz；rst_n為復位信號，低電平有效；clk_25m為分頻器的輸出，頻率為25 MHz，用于VGA驅動部分；hsync為行同步信號，vsync為場同步信號；h_cnt為行計數器，v_cnt為列計數器。可以發現VGA驅動模塊完全可以正常工作。
3.3 系統結果
    將各模塊調試完畢，組成整個系統，測試結果如圖6所示。

    從圖6看出脈搏波形可以基本實現在VGA顯示器實時顯示的設計要求。通過分析脈搏波形在一定時間內的變化趨勢以及脈搏的跳動次數，為評價測試者的心血管系統的健康狀況提供參考信息。
    本系統利用了微壓脈搏傳感器對脈搏信號進行采集，通過處理電路進行濾波、放大以及A/D采樣，并利用FPGA驅動VGA顯示器顯示。實驗表明，此系統能夠實時采集人體脈搏信號，并且能正常、穩定地顯示。
本系統利用RAM實現了采集波形的實時動態顯示，對實時性要求高的數據采集系統設計具有很高的參考價值。同時，對本系統可以進行二次開發，將脈搏波形數據通過無線網絡發送到醫療中心，以便為就診專家提供足夠的病理信息，在一定程度上提高了醫療救助的效率。
參考文獻
[1] 姜世杰，余紅英，洪永學，等.基于FPGA的VGA接口驅動技術[J].電子測試，2012（12）：29-32.
[2] 劉峰.基于FPGA的VGA控制器實現[J].電子元器件應用，2010，12（11）：33-35.
[3] 王國力，趙子嬰，白金星.PVdF壓電薄膜脈搏傳感器的研制[J].傳感技術學報，2004（4）：688-692.
[4] 吳友宇.模擬電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2010.