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本系统的脉搏信号显示借助VGA接口來实现。以往对于VGA显示的研究侧重于VGA接口驱动技术主要实现VGA静态显示[1-2]。基于此种现象本文提出了利用双口RAM来实现脉搏FPGA中采集方波频率跳动大数据的存储与读取,从而可以实现实时显示结果证明此方案可以很好地满足要求。同时本系统充分利用了FPGA的硬件资源,取代了VGA嘚专用显示芯片降低了系统的开发成本,提高了系统的集成度

FPGA中采集方波频率跳动大到的脉搏信号往往比较微弱,而且伴随着很多噪聲因此需要滤波、放大等处理电路进行预处理。脉搏信号属于模拟信号要想送到FPGA处理,需进行模/数转换FPGA将数字信号存储在内部RAM中,並利用Verilog HDL语言编写VGA显示控制模块驱动显示器显示脉搏波形。整个系统的原理框图如图1所示

脉搏信号存在频率低、信号弱、噪声严重等问題。脉象频谱分析表明脉象能谱中99%的能量集中在10 Hz以下[3],而且正常成人的脉搏跳动次数为60~100次/min脉率是1~1.67 Hz。为了滤除噪声又不影响脉搏信号嘚能量,选择0.8~20 Hz作为信号的频带宽度因此,本设计的信号处理电路主要由前置放大器、高通滤波器、低通滤波器、主放大器组成信号处悝电路图如图2所示。

经分析信号处理电路的频率带宽为0.72 Hz~20 Hz,放大倍数为300多倍可以完成功能要求。另外实际中将R7用10 k?赘的电位器代替,从洏实现放大倍数可调的目的适用更多的场合。

A/D转换芯片主要完成模拟信号到数字信号的转换ADC0804是逐次比较型集成A/D转换器,分辨率为8位轉换时间为100 μs,输入电压范围为0~5 V而且价格便宜、操作简便。基于以上特点本设计选用ADC0804作为A/D转换芯片。对经过处理电路处理的脉搏信号進行采样并将得到的数字信号送到FPGA中。

本系统的FPGA控制部分主要由分频模块、RAM、VGA控制模块三部分组成
根据电视原理有关VGA显示的内容可知,VGA显示采用逐行扫描方式扫描是从屏幕的左上方开始,从左到右、从上到下本系统采用640×480@60 Hz显示模式,其中60 Hz为场扫描频率对于一个场掃描频率为60 Hz、分辨率为640×480的显示模式,其典型的VGA时序表如表1所示

由表1可以计算出VGA驱动所需的时钟频率为800×552×60 Hz=25.2 MHz。而FPGA的时钟频率为50 MHz因此需偠一个分频模块,实现二分频的功能

VGA控制部分主要是产生行同步信号(Hsync)和场同步信号(Vsync),模拟VGA的显示时序表此模块的设计思想是模拟逐行扫描的过程,每行800个像素点扫完一行,接着扫第二行一共有525行。因此可以设计两个计数器,行计数器(h_cnt)和列计数器(v_cnt)h_cnt从0开始计数,计到799后归零;v_cnt也从0开始计数计到524后归零,并且在h_cnt计到799后v_cnt加1,clk_25m作为两个计数器的触发脉冲当h_cnt=96时,Hsync=1;当h_cnt=0时Hsync=0。类似的當v_cnt=2时,Vsync=1;当v_cnt=0时Vsync=0。从而实现了行同步信号和列同步信号的产生并模拟了VGA显示时序表。行计数器的程序流程图如图3所示

显示器是由一个個像素点组成的,如果是640×480的显示模式就意味着每行有640个像素点,每列有480个像素点一共是307 200个像素点。图像在显示器上显示其实就是點亮相应的像素点。因此基于这种理解,可以将脉搏波形当作一幅图像波形走过的地方就是相应的像素点被点亮了。因此对脉搏信号采样得到的就是相应的像素点。如果将采样值作为列坐标第几次采样作为行坐标,就可以确定一个像素点继而可以描绘出一幅脉搏波形图。

通过上面的分析过程提出一个解决方案,就是寻找一个存储介质既可以读,又可以写而FPGA正好有这样的资源,于是采用RAM来充當这个存储介质从VGA显示原理已经知道,VGA显示采用的是逐行扫描的方式如果将采样值作为RAM的地址,也是列坐标而将第几次采样作为相應的存储单元存储的内容,同时也是行坐标这样既有了行坐标,又有了列坐标当VGA扫描时,扫描到某一行就到相应的RAM存储单元取出其Φ的内容,并判断是否与当前扫描到的行坐标相同如果相同则点亮此像素点,否则就不点亮这就是RAM部分的设计思想。

将处理电路测试唍毕并连接上脉搏传感器,对人体脉搏信号进行FPGA中采集方波频率跳动大利用示波器显示脉搏波形,如图4所示可见该部分电路工作正瑺,并且能满足设计要求

图中clk_50m为系统时钟输入,频率为50 MHz;rst_n为复位信号低电平有效;clk_25m为分频器的输出,频率为25 MHz用于VGA驱动部分;hsync为行同步信号,vsync为场同步信号;h_cnt为行计数器v_cnt为列计数器。可以发现VGA驱动模块完全可以正常工作

将各模块调试完毕,组成整个系统测试结果洳图6所示。

从图6看出脉搏波形可以基本实现在VGA显示器实时显示的设计要求通过分析脉搏波形在一定时间内的变化趋势以及脉搏的跳动次數,为评价测试者的心血管系统的健康状况提供参考信息

本系统利用了微压脉搏传感器对脉搏信号进行FPGA中采集方波频率跳动大,通过处悝电路进行滤波、放大以及A/D采样并利用FPGA驱动VGA显示器显示。实验表明此系统能够实时FPGA中采集方波频率跳动大人体脉搏信号,并且能正常、稳定地显示

本系统利用RAM实现了FPGA中采集方波频率跳动大波形的实时动态显示,对实时性要求高的数据FPGA中采集方波频率跳动大系统设计具囿很高的参考价值同时,对本系统可以进行二次开发将脉搏波形数据通过无线网络发送到医疗中心,以便为就诊专家提供足够的病理信息在一定程度上提高了医疗救助的效率。

[1] 姜世杰余红英,洪永学等.基于FPGA的VGA接口驱动技术[J].电子测试,2012(12):29-32.
[3] 王国力赵子婴,白金煋.PVdF压电薄膜脉搏传感器的研制[J].传感技术学报2004(4):688-692.
[4] 吴友宇.模拟电子技术基础[M].北京:清华大学出版社,2010.

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