摘 要： 設計了基于FPGA的心音采集系統，該系統包括高性能的心音傳感器、預處理電路、A/D轉換電路和串口通信電路。傳感器將心音信號轉換成電信號，通過預處理電路的放大和濾波，再經過A/D轉換電路送到FPGA，FPGA把現場采集到的數據及時可靠地傳遞給PC。實驗結果表明，該系統能無創、快速、廉價地采集心音信號。
關鍵詞： 心音信號；A/D；FPGA
目前，心血管疾病的診斷主要分為無創診斷和有創診斷法兩種。其中，無創診斷包括心電圖、動態心電圖和心音圖、超聲心動圖以及現代醫學成像技術[1]；有創診斷主要指動脈造影技術，但是會帶來并發癥。非常嚴重的心血管疾病并不能夠通過心電圖做出正確診斷，而早期的心臟病變會引起心音信號成分的變化，通過心音圖分析心音成分以及雜音，能對早期心血管疾病做出正確診斷。心音信號是一種非常微弱的隨機信號，在采集過程中不可避免地引入了噪聲。韋哲等人設計了基于聲卡的心音信號采集與處理系統[2]，該系統充分利用了計算機資源，但是電腦本身存在較大噪聲，采集到的信號信噪比較低。童英華設計了基于單片機的心音、脈搏信號采集系統[3]， 但是單片機存在傳輸速率低的問題。本文設計了基于FPGA的心音采集系統，該系統采集到的心音信噪比較高，適宜后續研究。
1 采集系統整體方案設計
本采集系統框圖如圖1所示，該系統由心音傳感器、信號預處理電路、A/D轉換電路以及PC等構成。其中，信號預處理電路首先對心音信號進行前級放大，然后經過帶通濾波（由低通濾波電路和高通濾波電路構成），最后經過后級放大電路處理。帶通濾波電路可以通過開關控制，前級放大的輸出可以通過開關控制直接跳過帶通濾波電路直接到后級放大電路，由于前級信號只將心音信號放大到幾百毫伏，信號仍然很弱，因此再經過后級放大電路把心音信號放大至+5 V范圍內，然后輸出到A/D轉換電路。A/D轉換電路采用8 bit、32 MS/s模數轉換單芯片AD9280，A/D轉換后的數據直接傳送給FPGA，FPGA通過串口將數據實時發送到PC，實現整個采集系統。
2 采集系統實現
2.1 心音傳感器的研究
心音傳感器是整個系統中的重要部分，它的特性對采集到的信號質量至關重要。本文設計了一款優質、廉價的基于駐極體電容話筒的心音傳感器。該傳感器靈敏度高，抗干擾能力強，除了能提取出微弱的心音信號外，還能盡量不受外界噪聲的干擾[4]。本傳感器由一個微型駐極體話筒和一個聽診器的聽頭組成，聽診器選用的帶雙面探頭的歐石130 K。制作時把聽診器的膠管截去，留下約10 cm左右，該傳感器對心音的靈敏度比較高，對外界的聲音幾乎無反應[5]。振膜接收到聲波后發生相應的振動，同時引起極板間距離的變化，電容計算公式為：
2.2.4 后級放大電路
由于前級信號只將心音信號放大到幾百毫伏，信號仍然很弱，因此再經過后級放大電路把心音信號放大至+5 V范圍內。后級放大電路如圖5所示。
2.3 A/D轉換電路
AD9280是一款單芯片、8 bit模數轉換器（ADC），采用單電源供電，內置一個片內采樣保持放大器和基準電壓源。它采用多級差分流水線架構，數據速率達32 MS/s，在整個工作范圍內保證無失碼。輸入經過設計，使成像和通信系統的開發更加輕松。用戶可以選擇各種輸入范圍和偏移，并可以通過單端或差分方式驅動輸入。AD9280具有一個片上可編程基準電壓源。也可以使用外部基準電壓，以滿足應用的直流精度與溫度漂移要求。采用+2.7 V~+5.5 V電源供電，非常適合高速應用中的低功耗操作。額定溫度范圍為-40℃~+85℃工業溫度范圍。A/D轉換電路如圖6所示。
2.4 FPGA控制串口通信
結合項目的現有設備DB2C8核心板，將信號放大電路和A/D轉換電路經過DB2C8核心板的擴展口，把A/D轉換的數據傳送到FPGA芯片EP2C8Q208，A/D轉換的采樣時鐘由FPGA來控制，利用FPGA的FIFO存儲器存儲A/D轉換的數據，然后控制串口通信的波特率為115 200 b/s，進行實時傳輸。FPGA仿真波形如圖7所示。FIFO為異步讀寫，FIFO寫時鐘速率為8 kHz，讀速率為60 MHz，串口通信的波特率設置為115 200 b/s，如圖7所示，PORT_txd為串口輸出，q為FIFO的讀數。
本采集系統在FPGA的控制下能夠快速、便捷地采集心音信號數據，由采集的數據畫出的波形如圖8所示。本系統數據傳輸速率高，能在噪聲背景下提取出有用的心音信號，使得心音的采集更加方便，心音庫的建立變得切實可行。
參考文獻
[1] 邢素霞，陳天華.基于DSP的心音信號采集與分析[J].生物醫學工程學雜志，2011，28（2）：273-276.
[2] 韋哲，李戰明，程自峰，等.基于聲卡的心音信號采集與處理系統的實驗研究[J]，中國醫療設備，2008，23（10）：7-10.
[3] 童英華，基于單片機的心音、脈搏信號采集系統[D].西寧：青海師范大學，2009.
[4] 武麗，李翔.新型多功能電子聽診器的機構及工作原理[J].西南科技大學學報，2003，18（1）：35-38.
[5] 石小波，何為.便攜式數字化心音分析儀的研究[D].重慶：重慶大學，2006.
[6] 譚江平.心音信號采集和分析系統的研制[D].重慶：重慶大學，2004.
[7] 張維棟.心音脈搏信號數據采集程序設計探討[J].硅谷，2010（7）：64.