摘 要： 介绍了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的实时心电" title="心电">心电监护系统。该系统采用FPGA为中央数字处理器，采用硬件描述语言(VHDL)进行结构化设计，实现了心电信号（ECG）的实时采集、处理和传送。同时还在芯片内集成了数字滤波和数据压缩存储算法，实现心电信号的实时处理和压缩。
    关键词： FPGA  心电信号  实时监护

    近年来随着数字信号处理技术的发展，心电监护系统得到了较快的发展。但是现有的监护系统多采用单片机作为中央处理器，不但处理速度慢，而且功耗和体积大，实时性差。针对便携式心电监护系统需满足的处理速度快、功耗低和微型化等要求，本系统选择了FGPA为中央处理器，进行心电数据的采集和处理，使系统具有实时采集、处理、存储以及发送心电数据等功能。
1 系统硬件组成
    系统的硬件部分以XILINX的低成本型SpartanTM-3器件XC3S400-4TQ144C[1]为核心，主要包括ECG信号滤波放大电路、QRS波检测电路、FPGA控制系统等。其硬件构成如图1所示。

                     
1.1 滤波放大电路
    滤波放大电路的作用是从噪声中提取心电信号，并把它放大到合适的电平以提供给A/D" title="A/D">A/D转换电路。
    前置放大电路选用仪表放大器AD620,放大倍数为11。主放大电路和后置放大电路放大倍数分别设计为50、1～3。整个电路放大倍数为550～1650连续可调。
    高通滤波器采用无源RC滤波器;采用运放TLC2254设计了由4个二阶压控电压源（VCVS）低通滤波器级联构成的八阶低通滤波器。
1.2  A/D转换电路
    本系统对心电信号进行数字化处理的分辨率为12位。FPGA拥有丰富的I/O口，所以选择转换方式为并行，采样频率为1kHz。本系统对A/D的速度、精度都没有特殊要求，需考虑的主要是体积、低供电电压和功耗。经比较最终选用了MAXIM公司的并行接口A/D转换器MAX1297。将其并行接口以及控制信号" title="控制信号">控制信号与FPGA相连，由FPGA提供芯片所要求的转换时钟以及控制信号。
1.3 R波检测电路
    R波的检测分为硬件和软件检测。相对于软件实现来说，采用硬件实现R波检测具有速度快、实时性好、结构简单的优点。系统中，R波检测电路由跟随器、QRS滤波器、整波电路、峰值保持电路和比较器组成[2]。预处理后的心电信号经R波检测电路被转换为方波信号，再输入FPGA进行处理。
2 FPGA实现的主要功能
    如图2所示，FPGA 内部主要有A/D控制模块、SRAM控制模块、FIR滤波模块、心电数据压缩模块、时钟产生模块和串口通信模块。

                     
2.1 A/D控制
    由于选用的A/D芯片为双通道，所以内部模块也按照两通道来设计，分别为outdata1和outdata2,数据为12位，CLK端口接外部时钟接口，该模块内部嵌入了时钟产生模块，输入50MHz信号，输出ad_clk信号为400kHz，占空比为50%。在本模块中每400个周期对CH0和CH1通道分别取一个点，输出到outdata1和outdata2,采样率为400kHz/400=1kHz。该模块的顶层图和功能仿真如图3所示。

                      
2.2 数字滤波
    为了进一步滤除因前置处理电路而加重的工频干扰，本系统集成了分布式FIR数字滤波器^[3]。
2.3 SRAM 控制
    系统中配置的是256K×16bit的SRAM、18位地址线、16位数据线，CS、OE和WE分别作为SRAM的片选信号、读使能和写使能信号，这三个信号均为低电平有效，由UB和LB分别控制每次读写的是高字节还是低字节。本文依据该芯片的功能在FPGA内部设计了SRAM控制模块,其顶层图如图4所示。

                        
    该模块中的控制信号有ram_ce、ram_full、ram_lb、ram_oe、ram_ub、ram_we。其中ram_ce用于给SRAM芯片提供片选信号，ram_full用于标示SRAM存储器中的空间，ram_oe信号用于给外部SRAM芯片输出使能信号；ram_we用于给外部SRAM芯片读写控制信号；外部SRAM芯片的I/O0－I/O15为16位数据线，模块中用两个信号ram_ub和ram_lb分别控制其高字节和低字节。
    该模块中用到的时钟信号有两个，一个是SRAM写时钟ram_wclk,一个是SRAM读时钟ram_rclk，这两个时钟均由时钟产生模块生成。因为SRAM的写入数据是A/D转换后的数据，所以ram_wclk写时钟应该与AD的数据频率一致为1kHz。从SRAM读数据时，是读给后面的心电数据压缩模块处理，系统中的心电数据处理模块的时钟为50MHz，所以读数据时，采用50MHz，这样可以最大限度地提高系统的实时性。
    模块中有两个地址信号: dsp_addr<17:0>和ram_addr<17:0>。dsp_addr<17:0>来自心电数据压缩模块，ram_addr<17:0>是用于给外部SRAM芯片地址信号。
    该模块的数据信号有三个：ad_wdata<11:0>、dsp_rdata<11:0>和ram_data<11:0>。这三个数据信号分别与前面的AD转换模块、后面的心电数据压缩模块及FPGA外部的SRAM芯片连接。
2.4 心电数据的压缩和通信
    为了能实时存储和传送足够长的有用信号,对采集的ECG信号必须采取一定的压缩处理,为此该系统还集成了LADT数据压缩算法模块^[3]。LADT模块的输入端口有三个，分别为数据输入端口dsp_data_in<11:0>、系统时钟端口dsp_clk和全局停止信号rst；输出端口有两个：数据输出端口dsp_data_out<11:0>和送给SRAM的地址信号dsp_addr<17:0>。该模块的顶层图和仿真结果如图5所示。

                            
    依据UART的通信原理在FPGA内部设计了异步通信模块，用于最终将实时压缩处理后的数据上传给上位机处理。异步通信模块的帧格式是8位数据位，一个起止位，一个停止位。其中波特率为可调，由时钟发生模块给予时钟信号。
    发送模块" title="发送模块">发送模块中，din<7:0>为并行数据输入；clk16×为时钟信号，由时钟产生模块给予，在时钟发送模块中该时钟信号可调；rst为复位信号(复位信号“1”)；wrn为数据传输控制信号（信号为下降沿时，读入数据）；sdo为串行数据" title="串行数据">串行数据输出。并串转换后，在传送之前加一位起止位、停止位后，再通过对发送模块其他一些控制信号的编写，就完成了整个发送模块的设计。该模块的顶层图和仿真结果如图6所示。

                            
    当系统接收到上位机通过串行通信接口发送来的串行数据时，要将其转化为FPGA内部使用的并行数据，所以接收模块的主要作用是用于串-并转换。接收模块中，clk16×为时钟控制信号；rst为复位信号（当rst为“1”时，所有工作信号复位）；rxd为串口发送来的串行数据；dout<7:0>为经接收模块进行转换后输出的并行数据；framing_error为帧错误信号。程序的主体思想是：首先将接收到的串行数据逐位地放入移位寄存器rsr中，当8位数据放满后输出给缓存rbr，并暂时保存在那里；当收到发送信号时再将8位的并行信号输出（这个过程实际上是发送模块的逆过程，是将串行数据变为并行数据，实现串并转换）；再通过对接收模块其他一些控制信号的编写，就完成了整个接收模块的设计。该模块的顶层图和仿真结果如图7所示。
                                

    一个完整的串口通信应该有其协议，也就是说往往是上位机应先给下位机发送一个控制信号后，发送模块才工作，即两个模块应该协同工作，所以本文将这两个模块连接到了一起，并加入一些控制信号，从而设计出串口通信模块。模块中的rxd用来接收上位机的数据，并判断数据是“AA”或者“55”，“AA”表示开始接收数据，“55”表示停止接收数据。
2.5 时钟模块
    时钟模块产生其他所有模块工作所需的时钟，时钟脉冲是控制信号以及系统能协调工作的基础。根据前面几个模块的时钟需求，设计了时钟产生模块。模块输入时钟为clk，其频率为50MHz，由外部有源晶振连接FPGA的全局时钟管脚GCLK0提供。其余输出时钟为提供给几个模块的时钟信号，其中ad_clk是送给A/D转换模块的时钟，da_clk送给D/A转换模块，ram_rclk和ram_wclk分别为SRAM模块提供读时钟和写时钟，dsp_clk为LADT模块的工作时钟，rxclk和txclk分别为UART模块的接收时钟和发送时钟。该模块的项层图和仿真结果如图8所示。 通过对FPGA芯片程序的下载，将6个功能模块集成于芯片XC3S400中，该芯片内部有40万门，最终顶层模块程序的资源占用情况如表1所示。从中可以看出，资源占用率很低，仅为8％，还留有大量的剩余资源，为系统的进一步完善和增添其他功能模块提供了可靠的保证，例如可以在FPGA芯片中增加心电数据分析模块和无线通信模块等。

                              
    本文设计了基于FPGA的集心电信号采集、存储、处理和发送等功能于一体的实时心电传感系统。 该系统在一片FPGA中完成了大部分实时监护功能，并可以用修改软件的方法来改进或增加其功能，与现有的便携式心电监护仪相比，更具智能性。
参考文献
[1]  XILINX Corporation. Spartan-3 FPGA Family: Complete Data Sheet. DS099 March 4,2004
[2] 费保蔚，庄天戈,程敬之，等.一种心电图QRS波检测方法. 北京生物医学工程，1997，16（1）：11-13.
[3] 韦建敏,杨永明，郭巧惠.基于FPGA的实时心电信号处理系统设计.电子器件, 2005，28（3）：581-583.