基于FPGA的脉搏波信号发生器的设计与实现

摘要

近年来，心血管疾病已经严重危害了人类的健康，如果能够提前检测心血管系统的生理病理情况，有助于发现心血管系统病变患者，若采取相应的措施，进行有效的防治，可以大大减少其发病率。脉搏波作为人体最基本的生理信号，它蕴含了心血管系统病理和生理等方面的信息，通过对其进行检测，可以快捷的诊断患者的健康状况。已有的脉搏波诊断仪器对心血管疾病的临床诊断与治疗起到很大的作用。为完成对脉搏波诊断仪器参数和功能的测试，代表不同生理意义的输入信号十分重要，但是，目前阶段的信号发生器提供不了标准的脉搏波信号。所以迫切需要一种能够准确产生脉搏波的技术及仪器，应用到临床中，解决这一问题。
　　本文设计一种脉搏波发生器，使用两种方法产生脉搏波。利用高斯函数和脉搏波在形状上相似的特点，通过提取脉搏波特征点，分段拟合脉搏波，每段选取合适参数，合成一段完整波形;使用血管弹性腔模型，通过等效电路图，建立三阶常微分方程，使用四阶龙格-库塔方法，求得其解，即为输出的脉搏波。同时添加信号后处理部分:三种噪声(50Hz工频噪声，随机噪声，高斯白噪声)，信噪比设定，基线漂移。输出脉搏波也可周期改变并连续输出。
　　本文使用现场可编程门阵列(FPGA)作为硬件开发平台，完成了电源降压、模数转换、数模转换路、液晶屏控制等外围电路的实现，并在可编程片上系统(SOPC)开发流程下，对脉搏波产生算法、触摸屏坐标获取及噪声添加等功能模块进行设计。通过液晶屏和触摸屏，用户可输入关键参数，在液晶屏上显示波形，同时输出模拟电压信号。
　　本文设计的脉搏波信号发生器结构简单，能够很好解决其他发生器中出现的例如片内存储器容量要求高、脉搏波种类较少、与实际测量形状相差较大等问题，无论是在脉搏波的实践教学，还是在临床应用时，对诊断仪器的性能的验证，都能发挥很大的作用，有很好的实际利用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 脉搏波的临床应用价值

1．1．2 脉搏波发生器的现实意义

1．2 脉搏波发生器的技术发展现状

1．3 脉搏波发生器的技术讨论及展望

1．4 本文研究内容

第2章 脉搏波与FPGA基本理论概述

2．1 脉搏波的基本概念

2．1．1 脉搏波概念及特点

2．1．2 脉搏波信号检测及分析

2．2 FPGA／SOPC系统简介

2．2．1 FPGA系统组成

2．2．2 SOPC系统与Nios Ⅱ软核处理器

2．3 本章小结

第3章 脉搏波拟合算法研究

3．1 弹性腔模型理论

3．1．1 心血管建模方法及意义

3．1．2 弹性腔集总参数模型

3．2 Gaussian-Cosine拟合算法

3．2．1 高斯函数的数学基础

3．2．2 脉搏波特征点提取

3．2．3 拟合算法的研究

3．2．4 输出波形的误差评估

3．3 本章小结

第4章 脉搏波发生器的硬件实现

4．1 FPGA设计

4．2 外围电路设计

4．2．1 降压模块设计

4．2．2 ADS模块设计

4．2．3 液晶屏设计

4．2．4 DAC模块设计

4．3 本章小结

第5章 脉搏波发生器的软件实现

5．1 Nios Ⅱ软件开发环境

5．1．1 Nios Ⅱ集成开发环境

5．1．2 HAL系统库

5．2 噪声添加与信噪比设定

5．2．1 噪声添加

5．2．2 信噪比设定

5．3 触摸屏坐标校准与去抖动

5．4 基线漂移与连续可变周期输出

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间学术成果