基于FPGA的心音信号采集

摘 要： 设计了基于FPGA的心音采集系统，该系统包括高性能的心音传感器、预处理电路、A/D转换电路和串口通信电路。传感器将心音信号转换成电信号，通过预处理电路的放大和滤波，再经过A/D转换电路送到FPGA，FPGA把现场采集到的数据及时可靠地传递给PC。实验结果表明，该系统能无创、快速、廉价地采集心音信号。
关键词： 心音信号；A/D；FPGA

　目前，心血管疾病的诊断主要分为无创诊断和有创诊断法两种。其中，无创诊断包括心电图、动态心电图和心音图、超声心动图以及现代医学成像技术[1]；有创诊断主要指动脉造影技术，但是会带来并发症。非常严重的心血管疾病并不能够通过心电图做出正确诊断，而早期的心脏病变会引起心音信号成分的变化，通过心音图分析心音成分以及杂音，能对早期心血管疾病做出正确诊断。心音信号是一种非常微弱的随机信号，在采集过程中不可避免地引入了噪声。韦哲等人设计了基于声卡的心音信号采集与处理系统[2]，该系统充分利用了计算机资源，但是电脑本身存在较大噪声，采集到的信号信噪比较低。童英华设计了基于单片机的心音、脉搏信号采集系统[3]， 但是单片机存在传输速率低的问题。本文设计了基于FPGA的心音采集系统，该系统采集到的心音信噪比较高，适宜后续研究。
1 采集系统整体方案设计
　本采集系统框图如图1所示，该系统由心音传感器、信号预处理电路、A/D转换电路以及PC等构成。其中，信号预处理电路首先对心音信号进行前级放大，然后经过带通滤波（由低通滤波电路和高通滤波电路构成），最后经过后级放大电路处理。带通滤波电路可以通过开关控制，前级放大的输出可以通过开关控制直接跳过带通滤波电路直接到后级放大电路，由于前级信号只将心音信号放大到几百毫伏，信号仍然很弱，因此再经过后级放大电路把心音信号放大至+5 V范围内，然后输出到A/D转换电路。A/D转换电路采用8 bit、32 MS/s模数转换单芯片AD9280，A/D转换后的数据直接传送给FPGA，FPGA通过串口将数据实时发送到PC，实现整个采集系统。

2 采集系统实现
2.1 心音传感器的研究
　心音传感器是整个系统中的重要部分，它的特性对采集到的信号质量至关重要。本文设计了一款优质、廉价的基于驻极体电容话筒的心音传感器。该传感器灵敏度高，抗干扰能力强，除了能提取出微弱的心音信号外，还能尽量不受外界噪声的干扰[4]。本传感器由一个微型驻极体话筒和一个听诊器的听头组成，听诊器选用的带双面探头的欧石130 K。制作时把听诊器的胶管截去，留下约10 cm左右，该传感器对心音的灵敏度比较高，对外界的声音几乎无反应[5]。振膜接收到声波后发生相应的振动，同时引起极板间距离的变化，电容计算公式为：


2.2.4 后级放大电路
　由于前级信号只将心音信号放大到几百毫伏，信号仍然很弱，因此再经过后级放大电路把心音信号放大至+5 V范围内。后级放大电路如图5所示。

2.3 A/D转换电路

　AD9280是一款单芯片、8 bit模数转换器（ADC），采用单电源供电，内置一个片内采样保持放大器和基准电压源。它采用多级差分流水线架构，数据速率达32 MS/s，在整个工作范围内保证无失码。输入经过设计，使成像和通信系统的开发更加轻松。用户可以选择各种输入范围和偏移，并可以通过单端或差分方式驱动输入。AD9280具有一个片上可编程基准电压源。也可以使用外部基准电压，以满足应用的直流精度与温度漂移要求。采用+2.7 V~+5.5 V电源供电，非常适合高速应用中的低功耗操作。额定温度范围为-40℃~+85℃工业温度范围。A/D转换电路如图6所示。