基于FPGA的ECG信号采集与处理系统设计.pdfVIP

盛应用技术 基于FPGA的ECG信号采集与处理系统设计 时小珂 王晓初 梅求军 刘为文 (广东工业大学机 电工程学院) 摘要：当今平板电脑和大屏幕智能手机的普及为便携式心电监护仪的发展带来了机遇。针对这种发展趋势， 设计了便携式心电 (electrocardiogram，ECG)信号的实时采集、处理和传送系统。该系统以FPGA为控制中心， 用高精度24位心电专用芯片实现模数转换，用FIR滤波算法实现高阶数字滤波。该系统采集和处理的ECG数据 可传送至平板电脑或大屏幕智能手机，以方便心脏疾病者 自我初步诊断。 关键词：FPGA；ECG；FIR滤波 0 引言 由心电导联线、ECG预处理电路模块、A／D转换电路 模块、FPGA 电路模块以及 USB接 口等组成。图 1 心脏类疾病主要有心肌梗死、心肌缺血、心房扑 中SHD DRV、CV、RA、LA、LL、RL分别是屏蔽 动和室性心动过速等，其发病具有突发性、高危险性 层信号、胸电极信号、右臂电极信号、左臂电极信号、 等特点。心电信号是一种 由心肌收缩而产生并可提供 左脚电极信号和右脚电极信号，人体电极信号通过心 心脏生理功能变化信息的生物电信号，心电信号的分 电导联线与预处理电路相连接。 析与诊断己成为当前检测心脏疾病的重要手段。 自1906年第一台心电图机用于临床 以来，心电 监护系统大致可以分为三类[1]：心电图机、心电图仪 和穿戴式心电获取系统。近年来随着数字信号处理技 术的发展、平板电脑和大屏智能手机的出现，心电监 护仪朝着便携、性价比高和更加智能化的方向发展。 基于FPGA的ECG信号采集与处理系统由便携式心 电信号获取仪、PC机或平板电脑或大屏幕智能手机 组成。通过心电导联线获取的心电数据，再通过USB 图 1 心电信号采集与处理系统结构 接 口送入平板电脑，平板电脑绘制心电图，并经专家 ECG信号预处理模块中的右臂电极信号的预处 系统分析，形成初步诊断结论。 理电路如图2所示，其它4个电极信号的预处理与此 目前的心电信号获取仪大多采用双 CPU结构， 电路相同。预处理电路主要完成输入保护、信号滤波 其缺点为协同性差、功耗和体积大，稳定性低等2【]。 的功能。其中N1为陶瓷气体放电管，用于雷电防护。 本文采用FPGA片上系统结构取代双 CPU结构，由 陶瓷气体放 电管属于开关组件 ，导通时两端电压很 于FPGA器件具有低功耗、高性能、低成本和并行处 低，应串联限流电阻R1以防导通时形成过大的电流 理结构等特点，能够很好地满足便携式心电获取仪的 而损坏；Cl、R2、C2组成一个二阶低通滤波器，截 处理速度快、功耗低、体积小、价格低、稳定性强、 止频率为 100Hz，主要滤除 100Hz以上的干扰 (心 随身携带等要求。 电信号的主要频率范围在 100Hz以下)；D1主要是 1 系统结构