基于FPGA的多路微弱医学生物电信号处理系统

黄学业，凌朝东，黄锐敏，万 安

（华侨大学 信息科学与工程学院，福建 厦门361008）

1 引 言

随着世界人口老龄化进程的加快以及个人对健康的关注程度增加，医疗电子终端市场有了显著的发展［1］。不论在医疗诊断，还是在科学研究等方面，生物电信号都有着重要的意义［2］。生物电信号一般都很微弱，脑电信号幅值大小为0.001～0.1mV，主频带范围为0.5～40 Hz；心电的幅值大小为1～5mV，主频带范围为0.05～100Hz。因此，生物电信号采集系统各个通道通常都需要独立的模拟放大、滤波等模块，其体积往往较大，限制了仪器的应用推广，这给一些专用的生物电信号提取电极芯片提供了发展的契机［3］。本文采用德州仪器（TI）公司的ADS1198芯片采集生物电信号，节省了大量的外围电路；并利用FPGA 芯片高速并行处理数据的能力实时地对信号进行处理；采用软硬件协同设计的技术，利用SOPC定制IP，每一个模块都能够单独完成，又能轻松地整合在一起形成一个系统。本系统具有可复用、便携、功耗低、实时性强等特点，提供了一种全新的生物电信号的采集方案。

2 系统总体设计方案

本系统硬件主要由模拟前端电路模块ADS1198、FPGA 数字系统开发平台DE2＿70、液晶屏模块TRDB－LTM 构成。系统可分成三大功能模块：生物电信号采集、放大及隔离等预处理模块、生物电信号处理及控制模块、LCD 波形显示、数据存储及人机交互模块［4］。图1为系统总体设计框图。

图1 系统总体设计框图Fig.1 System overall design diagram

（1）生物电信号采集、放大及隔离等预处理模块：采用德州仪器（TI）公司的全面集成的模拟前端（AFE）芯片ADS1198为核心的模拟前端电路实现生物电信号的采集、放大、隔离等预处理操作。

（2）生物电信号处理及控制模块：利用FPGA强大的快速并行处理数据的能力，实时地处理生物电信号，控制系统各个模块的协调工作。我们能在一个系统中嵌入多个主设备（包括AD、LCD的IP）来实现数据的传输，大大减轻了CPU 的负担；同时能快速升级硬件模块，只需进行相应的定制，一个IP 就能挂接到总线上；所有IP 都采用Avalon总线架构，并采用统一的同步时钟。

（3）LCD 波形显示、数据存储及人机交互模块：采用数字式触摸面板液晶屏TRDB＿LTM、SD卡及按键来实现波形的显示、数据存储和人机交互的功能。LCD 通过自己编写的IP 核，以Avalon从设备的方式连接到Nios II处理器。SD卡采用SPI总线模式，传输协议较简单，易于实现［5］。按键用来控制系统的复位、启动及关闭等功能。

3 各个模块的具体设计方案

3.1 生物电信号采集、放大及隔离等预处理模块

本系统采用TI公司的ADS1198为核心的模拟前端电路。ADS1198具有以下主要特性［6］：

（1）8通道16位ADC转换芯片，其采样频率范围是125sps～8ksps。

（2）各通道含可编程放大器，其放大倍数在1～12倍可调；CMRR 达到－105dB。

（3）内置右腿驱动放大器和威尔逊中心电端。

（4）低功耗：每个通道0.55mW。

ADS1198模拟前端的输入电路包括二阶无源低通滤波电路和限幅电路，分别起到了消除高频干扰和过压保护的作用。其中，低通截止频率为30kHz，可通过电压幅值范围为±700 mV。图2为ADS1198模拟前端的输入电路。

图2 ADS1198模拟前端的输入电路Fig.2 Input of ADS1198analog front end circuit

根据实际应用需要，FPGA 通过SPI总线发送指令，配置ADS1198 芯片内部的多路选择器（MUX）实现各个输入端（INPUTS、RLD）的通断，设置可编程放大器（A1～A8）的放大倍数和AD 转换器（ADC1～ADC8）的采样频率等。当ADS1198芯片完成一次转换，Data Ready引脚变为低电平，通知FPGA 通过SPI总线读取数据。图3为ADS1198模拟前端的核心电路。

图3 ADS1198模拟前端的核心电路Fig.3 Core of the ADS1198analog front end circuit

3.2 LCD 波形显示、数据存储及人机交互模块

本系统的LCD 显示模块选用TRDB＿LTM，这是Altera公司提供的一款数字式触摸面板液晶屏。TRDB＿LTM 主要包括液晶触摸面板模块、AD 转换器和40 引脚扩展信号接口等模块［7］。40 引 脚 扩 展 信 号 接 口 用 来 连 接DE2／DE2＿70／DE1等开发平台预留的40引脚扩展端口；液晶触摸面板模块从FPGA 中得到输入的控制信号并将图像显示在液晶面板上；AD 转换器将触摸点的坐标值输出给FPGA 的预留接口，从而实现触摸控制效果。图4为TRDB＿LTM 的整体框图。

读写SD 卡实现本系统的数据存储。SD 卡的总线模式可分为两种：SD 总线模式和SPI总线模式。在SD 总线模式下，4条数据线并行传输数据，数据传输速率高，但是传输协议较复杂；而在SPI总线模式下，只有一条数据传输线，数据传输速率较低，但传输协议简单，易于实现。本系统采用SPI总线模式。

图4 TRDB＿LTM 整体框图Fig.4 Overall block diagram of TRDB＿LTM

SPI总线由同步时钟线SCK（SD＿CLK）、主机输入／从机输出数据线MISO（SD＿DAT）、主机输出／从机输入数据线MOSI（SD＿CMD）3 根线组成。此外，还有一条从机片选择线CS（SD＿DAT3）。FPGA 提供SPI系统的片选信号以及同步时钟脉冲。SPI总线模式的数据是以字节为单位进行传输的。主机与SD 卡的各种通信都由主机控制，主机在对SD 卡进行任何操作前都必须先拉低SD 卡的片选信号CS，然后由主机向SD 卡发送命令，SD 卡对主机发送的任何命令都要进行响应，不同的命令会有不同的响应格式（1字节或2字节响应）。SD 卡除了对命令响应外，在执行写操作时，还要对主机发送的每个数据块进行响应（向主机发送一个特殊的数据响应标志）。图5是SD 卡SPI模式下的电气接口。

图5 SD 卡SPI模式下的电气接口Fig.5 Electrical interface of SD card in the SPI mode

此外，本系统采用DE2＿70上的按键，实现系统的复位、启动及关闭等功能。

3.3 生物电信号处理及控制模块

本系统采用软硬件协同设计的思想。在FPGA 上，采用SOPC 定制IP 核的技术，单独完成各个模块，再将各个模块整合在一起形成一个系统，CPU 采用Altera公司提供的Nios II软核处理器。

Nios II软核处理器采用Avalon 交换式总线［8］。该总线是Altera开发的一种专用的内部连线技术，用来连接系统处理器、内部IP 模块以及外设等。Avalon交换式总线使用最少的逻辑资源来实现数据总线的复用、地址译码、等待周期的产生、外设的地址对齐（包括支持原始的和动态的总线尺寸对齐）、中断优先级的指定以及高级的交换式总线传输等功能。在传统的总线控制模式下，当一个master用总线时，其他的单元不能同时使用，而Avalon总线却允许它们共享，由此大大提高了资源的利用率。

3.3.1 SOPC定制硬件系统

外接时钟使用50 MHz，系统时钟150 MHz由内部pll IP产生的倍频时钟提供。在构建了包含cpu、tri＿state＿bridge、cfi＿flash、sdram、epcs＿controller、jtag＿uart等组件的最小系统的基础上，添加LTM、ADS1198、FIR、SD 等接口IP 模块，分别实现对系统中TRDB＿LTM、AD、FIR、SD 卡等功能模块的控制。图6 是系统的SOPC硬件平台。

图6 SOPC硬件平台Fig.6 SOPC hardware platform

3.3.2 Nios II软件开发环境实现软件编程

系统的软件部分在Nios II软件开发环境下实现。系统上电后，等待系统初始化；初始化完毕，生物电信号通过放大、隔离、滤波等预处理后，AD 转换成数字信号；接着，利用FIR 数字滤波器滤除信号中的50Hz工频噪声等干扰；最后，存储数据，并在TRDB＿LTM 上显示波形。图7为系统软件流程图。

图7 系统软件流程图Fig.7 Flow chart of system software

4 实验结果

本系统对心电信号进行测试。该测试是在室内常温环境下，被测人体端坐在椅子上，身体自然放松。连接好DE2＿70、TRDB＿LTM、ADS1198模拟前端电路等模块后，连接人体的左手腕、右手腕和右脚踝，再由蓄电池供电，即可测得正常人的心电波形图。系统的采样频率为500 Hz。利用波形的补点处理技术［9］，可以得到更为明亮紧凑的波形。图8是利用Matlab平台对所存储的波形数据进行验证。表1是实验测试结果分析。

图8 存储数据在Matlab上画出的波形Fig.8 Waveform draw in the Matlab

表1 实验测试结果分析Tab.1 Analysis of experimental results

续表

5 结 论

介绍了一种基于FPGA 的全新的多路微弱医学生物电信号采集方案，具有精度高、体积小、功耗低、实时性强等特点。采用软硬件协同设计的思想，定制SOPC 的IP模块的设计方法，可以方便快捷地实现产品的升级更新。该产品具有较广阔的市场前景。今后的研究重点是根据具体的脑电或心电应用，进行相应的算法研究，开发出具有实际应用前景的脑电或心电设备。

［1］ 陈颖莹.德州仪器为ECG 和EEG 量身打造全面集成的模拟前端［J］.电子技术应用，2010（5）：3－3.Chen Y Y.Texas instruments make comprehensive integrated analog front end for ECG and EEG.Electronic Technology Application，2010（5）：3－3.（in Chinese）

［2］ 魏厚杰，官金安，方浩.ADS1298模拟前端的便携式生理信号采集系统［J］.单片机与嵌入式系统应用，2012，12（2）：36－39.Wei H J，Guan J A，Fang H.ADS1298analog front end of a portable physiological signal acquisition system［J］.Microcontroller and Embedded Systems Applications，2012，12（2）：36－39.（in Chinese）

［3］ 凌朝东，黄群峰，张艳红，等.脑电信号提取专用电极芯片的设计［J］.华侨大学学报，2007，28（3）：260－263.Ling C D，Huang Q F，Zhang Y H，et al.Brain electrical signal extraction electrode chip design［J］.Journal of Huaqiao University，2007，28（3）：260－263.（in Chinese）

［4］ Huang X Y，Wan A，CHEN Z J.Development of EEG－based Intelligent Wheelchair Based on FPGA ［J］.The 1st Asia－Pacific Workshop on FPGA Applications，2012，1（1）：79－91.

［5］ 张洪涛，莫文承，李兵兵.基于SPI协议的SD 卡读写机制与实现方法［J］.电子元器件应用，2008，10（3）：42－43，47.Zhang H T，Mo W C，Li B B.Mechanism and implementation method of SD card reading and writing based on the SPI protocol［J］.Electronic Component ＆Device Applications，2008，10（3）：42－43，47.（in Chinese）

［6］ TI.ADS1198Datasheet［EB／OL］.［2011－11］.http：／／www.ti.com.cn／cn／lit／ds／symlink／ads1198.pdf.

［7］ Altera.TRDB＿LTM User Manual［EB／OL］.［2011－06］.http：／／www.terasic.com.tw／cgi－bin／page／archive＿download.pl Language＝English＆No＝213＆FID＝b226168825c32dd5d7064e9a57f42b0b.

［8］ 凌朝东，洪华峰，李国刚，等.基于NIOS II的便携式远程医疗监护器硬件平台的设计［J］.仪器仪表学报，2008，29（2）：336－341.Ling C D，Hong H F，Li G G，et al.Hardware design of portable telemedicine monitoring equipment based on NIOS II soft－core［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，29（2）：336－341.（in Chinese）

［9］ 徐洋.40Gsps随机取样数字示波器关键技术预先研究［D］.成都：电子科技大学，2004.Xu Y.The key technology research in advance 40GSPS random sampling digital oscilloscope［D］.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2004.