【正文】 主任(簽字)： 院(系) (簽章) 2013 年 月 日備注西安郵電大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))成績(jī)?cè)u(píng)定表(續(xù)表)目錄摘要 IABSTRACT II引言 11　簡(jiǎn)介 2　脈搏信號(hào)特點(diǎn)簡(jiǎn)介 2　脈搏傳感器簡(jiǎn)介 2　FPGA簡(jiǎn)介 3２　設(shè)計(jì)方案 5　設(shè)計(jì)要求 5　設(shè)計(jì)方案 53　單元電路的設(shè)計(jì) 7　信號(hào)的發(fā)生 7　前置放大電路 7　濾波電路 9 二級(jí)放大電路 13　信號(hào)整形電路 14４　PCB設(shè)計(jì) 17　PCB簡(jiǎn)介 17　Protel電路原理圖繪制 18　Protel印制電路板設(shè)計(jì) 18５　FPGA模塊設(shè)計(jì) 21　FPGA設(shè)計(jì)目的 21　分頻器模塊 21　定時(shí)模塊 21　計(jì)數(shù)模塊 22　顯示模塊 22結(jié)論 24致謝 25參考文獻(xiàn) 26附錄 摘要脈搏信號(hào)是一種非常微弱的生物信號(hào)，由于脈搏的特殊性，將脈搏波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和分析,可以為預(yù)防和治療疾病提供參考。本課題是基于FPGA的脈搏顯示電路設(shè)計(jì)，將由脈搏傳感器采集的脈搏信號(hào)用FPGA開(kāi)發(fā)板上的LCD液晶顯示屏顯示出來(lái)。由于脈搏信號(hào)的微弱性和受外界的干擾性，我們?cè)诓杉臅r(shí)候需要進(jìn)行一些處理，以達(dá)到我們需要的脈搏信號(hào)。由于脈搏信號(hào)的特性，我們需要使用靈敏度高的脈搏傳感器來(lái)獲取信號(hào)。脈搏信號(hào)是微弱的低頻信號(hào)，所以經(jīng)過(guò)放大器的放大，來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。放大之后要進(jìn)行濾波，以便將一些干擾信號(hào)過(guò)濾，以免影響測(cè)試結(jié)果。然后在進(jìn)行計(jì)數(shù)采集，輸送到LCD液晶顯示屏顯示?！　￡P(guān)鍵詞：脈搏傳感器，F(xiàn)PGA,運(yùn)算放大器，LCD ABSTRACTThe pulse signal is a very weak biological signals,as the particularity of the pulse,pulse wave can be converted to electrical signal measurement and analysis, can provide reference for prevention and treatment of topic is based on FPGA the pulse of the display circuit design, will be collected by pulse sensor pulse signal using FPGA development board on the LCD screen to weak pulse signal and the interference of the outside world, we need some processing at the time of acquisition, in order to achieve the pulse signal we need.Because the pulse characteristics of the signal, we need to use a pulse sensor with high sensitivity to obtain the frequency pulse signal is a weak signal, amplified through the amplifier, for further should be filtered to filter some of the interfering signals, to affect the test then during the counting collection, transported to the LCD display shows.Keywords: Pulse Sensor, FPGA, Operational Amplifiers,LCDI脈搏顯示電路設(shè)計(jì)引言 在我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)的診斷中，“望、聞、問(wèn)、切”是最基本的四個(gè)方面。而在其中，切，也就是脈診，占有非常重要的地位。通過(guò)脈診，醫(yī)生可以對(duì)患者的身體狀況有一個(gè)大概的了解，進(jìn)而對(duì)癥下藥。脈搏信號(hào)可以直接反應(yīng)出患者心臟的部分狀況，我國(guó)傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)認(rèn)為，通過(guò)脈診可以了解到患者臟腑氣血的盛衰，可以探測(cè)到病因，病位，預(yù)測(cè)療效等。從近代醫(yī)學(xué)的角度來(lái)看，人體循環(huán)系統(tǒng)承擔(dān)著協(xié)調(diào)全身各組織的能量代謝，輸送氧氣、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，運(yùn)走代謝廢物等重要的工作，還承擔(dān)運(yùn)送抗體、激素等物質(zhì)以協(xié)調(diào)整體的動(dòng)態(tài)平衡。從整體的角度對(duì)疾病進(jìn)行綜合分析，顯然循環(huán)系統(tǒng)的信息將占很重要的比重；從整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)來(lái)看橈動(dòng)脈介于大動(dòng)脈與小動(dòng)脈之間，由于心臟的舒縮、內(nèi)臟血容量的變化、血管端點(diǎn)阻抗、管道內(nèi)脈波的反射、血液的粘滯性、血管壁的粘彈性等因素使脈象攜帶著有關(guān)心臟運(yùn)動(dòng)、內(nèi)臟循環(huán)、外周循環(huán)等豐富的心血管系統(tǒng)及整體的動(dòng)態(tài)信息。因此脈診的臨床意義很大，它的機(jī)理是急待于我們進(jìn)行研究的。 鑒于脈診的重要性，人們對(duì)于脈搏測(cè)量一直非常關(guān)注，早在1860年Vierordt 創(chuàng)建了第一臺(tái)杠桿式脈搏描記儀，國(guó)內(nèi)20世紀(jì)50年代初朱顏將脈搏儀引用到中醫(yī)脈診的客觀化研究方面。此后隨著機(jī)械及電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外在研制中醫(yī)脈象儀方面進(jìn)展很快，尤其是70年代中期，國(guó)內(nèi)天津、上海、廣州、江西等地相繼成立了跨學(xué)科的脈象研究協(xié)作組，多學(xué)科共同合作促使中醫(yī)脈象研究工作進(jìn)入了一個(gè)新的境界。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，脈搏仍然是一個(gè)很重要的關(guān)鍵因素，人體的許多病變?cè)诿}搏的都有一定的顯示，所以脈搏測(cè)試儀仍然是必須的，基于人口數(shù)的原因，脈搏測(cè)試儀的需求量也是非常大的。由于市場(chǎng)上現(xiàn)有的脈搏測(cè)試儀已經(jīng)成熟、快捷、而且功能繁多，所以現(xiàn)有的參考物非?，F(xiàn)實(shí)。本設(shè)計(jì)所使用的系統(tǒng)利用壓電陶瓷片將脈博轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后，在短時(shí)間內(nèi)，測(cè)量出人體一分鐘的脈搏數(shù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，便于攜帶。達(dá)到了方便、快速、準(zhǔn)確地測(cè)量的目的。為了將脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)換為我們需要的信號(hào)，我們必須確定計(jì)劃方案，經(jīng)過(guò)放大電路、濾波電路、整形電路來(lái)得到需要的信號(hào)。通過(guò)Protel軟件進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，得到實(shí)物硬件電路，將硬件電路輸出的信號(hào)輸送到FPGA開(kāi)發(fā)板顯示出來(lái)。待解決的問(wèn)題有：外圍電路的設(shè)計(jì)，PCB的制作，程序的編寫(xiě)，結(jié)果的顯示。1　簡(jiǎn)介 　脈搏信號(hào)特點(diǎn)簡(jiǎn)介脈搏信號(hào)具有以下具體特點(diǎn)： （1）強(qiáng)干擾下的微弱生物信號(hào) 由于脈搏信號(hào)的信號(hào)幅度非常微小，大約是微伏到毫伏的數(shù)量級(jí)范圍。因此，極易容易受到干擾，這些干擾有來(lái)自50Hz的工頻干擾，也有來(lái)自于肌體的抖動(dòng)或精神緊張引起的假象信號(hào)等。 （2）低頻但相對(duì)集中的信號(hào) 人體的脈搏頻率非常低，一般情況下為1Hz到2Hz左右。根據(jù)脈搏功率譜能量分析，健康人體脈搏能量絕大多數(shù)分布在15Hz，而病人脈搏在1Hz以下和較高頻段（比如5Hz或10Hz以上）仍有相當(dāng)一部分的能量分布。 （3）復(fù)雜且易變的隨機(jī)信號(hào) 脈搏信號(hào)因人體生理、疾病、心理的不同而不同，又容易受到環(huán)境、時(shí)間、氣候的影響。表現(xiàn)出同一個(gè)人在不同的時(shí)刻、不同的地點(diǎn)都有不同的脈象，有時(shí)也會(huì)不同的疾病表現(xiàn)出相同的脈象。由于脈搏信號(hào)的復(fù)雜性和變異性，一方面使得我們較難直接從觀測(cè)結(jié)果中總結(jié)信號(hào)的特性和規(guī)律；另一方面，在有的情況下，有意義的信息恰恰蘊(yùn)含在變異性之中。我們研究脈搏信息的主要任務(wù)就是提取脈搏信號(hào)并加以處理，并由此分析、推演出所需要的信息，供醫(yī)生準(zhǔn)確地診斷疾病[1]?！∶}搏傳感器簡(jiǎn)介脈搏傳感器的選擇對(duì)于整個(gè)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。脈搏傳感器的基本功能就是將切脈壓力和橈動(dòng)脈搏動(dòng)壓力這樣一些物理量(非電量)轉(zhuǎn)換成為便于測(cè)量的電信號(hào)。因此要求傳感器具有一定的檢測(cè)重復(fù)性和線性，可以重復(fù)使用，而且測(cè)得的數(shù)據(jù)具有一定的精度；其次在較大范圍內(nèi)數(shù)據(jù)具有一定的精度；同時(shí)，還需具有一定的靈敏度和穩(wěn)定性。目前常見(jiàn)的脈搏采集方法有：心電電位方法、光電方法、壓力傳感器方法、電容傳感器方法和電聲傳感器方法。由于壓電傳感器信號(hào)容易測(cè)量所以選用壓電式傳感器。 （1）SC0073傳感器： 該傳感器采用壓電復(fù)合材料作為換能元件，信號(hào)通過(guò)特殊的匹配層傳遞到換能元件上變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。該傳感器是一種高性能低成本的振動(dòng)傳感器，具有靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬、抗過(guò)載及沖擊能力強(qiáng)、抗干擾性好、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。通過(guò)測(cè)試該型號(hào)傳感器性能基本滿足條件，但是信號(hào)穩(wěn)定性欠佳，尤其是柱狀的結(jié)構(gòu)外形，導(dǎo)致其無(wú)法與腕帶方便的配合。 （2）HK2000B脈搏傳感器： HK2000B脈搏傳感器采用高度集成化工藝將力敏組件、靈敏度溫度補(bǔ)償組件、感溫組件、信號(hào)調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。主要特點(diǎn)是靈敏度高、抗干擾性能強(qiáng)、過(guò)載能力大、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由HK2000B提取信號(hào)繪制的脈搏波形清晰穩(wěn)定，使用時(shí)無(wú)需搭建前置放大電路，但體積過(guò)大，無(wú)法對(duì)三個(gè)脈位進(jìn)行同時(shí)測(cè)量。 （3）PVDF壓電傳感器： PVDF壓電傳感器由PVDF壓電薄膜構(gòu)成。與其他壓電材料相比，PVDF壓電薄膜具有壓電系數(shù)大、頻響寬、動(dòng)態(tài)范圍大、力電轉(zhuǎn)換靈敏度高、機(jī)械性能強(qiáng)度高、聲阻抗易匹配等特點(diǎn)，且重量輕、柔軟不脆。對(duì)該傳感器的測(cè)試如下：分辨率、靈敏度等指標(biāo)均符合要求，而且得到的脈搏波形與HK2000B獲得質(zhì)量相當(dāng)[2]。由于考慮到各方面的原因，本設(shè)計(jì)采用的是SC0073傳感器。 圖12　SC0073傳感器結(jié)構(gòu)圖　FPGA簡(jiǎn)介 FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊IOB和內(nèi)部連線三個(gè)部分?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門(mén)陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)。FPGA利用小型查找表（161RAM）來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來(lái)驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過(guò)向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無(wú)限次的編程。FPGA芯片主要由7部分完成，分別為：可編程輸入輸出單元、基本可編程邏輯單元、完整的時(shí)鐘管理、嵌入塊式RAM、豐富的布線資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和內(nèi)嵌專用硬件模塊。圖13　FPGA芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ２　設(shè)計(jì)方案　設(shè)計(jì)要求為了提高運(yùn)用電子基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行理論設(shè)計(jì)、實(shí)踐創(chuàng)新，通過(guò)實(shí)踐學(xué)會(huì)合理的利用集成電子器件制作基于數(shù)字電路和模擬電路的課程設(shè)計(jì)與制作。脈搏計(jì)是用來(lái)測(cè)量一個(gè)人心臟跳動(dòng)次數(shù)的儀器，也是心電圖的主要組成部分。它是用來(lái)測(cè)量頻率較低的小信號(hào)。利用集成電路實(shí)驗(yàn)室的FPGA開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)箱，購(gòu)買一顆脈搏傳感器芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)PCB電路，把傳感器輸出的信號(hào)通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱的FPGA和液晶顯示屏顯示出來(lái)。 理解脈搏傳感器的工作原理； 學(xué)習(xí)PCB設(shè)計(jì)； 利用FPGA知識(shí)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)； 實(shí)現(xiàn)在1min內(nèi)測(cè)量脈搏數(shù)； 將測(cè)得的脈搏數(shù)用數(shù)字的形式顯示；　設(shè)計(jì)方案從前面的內(nèi)容可知，脈搏信號(hào)是一種微弱的低頻生物電信號(hào)。在進(jìn)行有效的處理、顯示或記錄之前，必須把信號(hào)放大到采集系統(tǒng)要求的幅值范圍內(nèi)，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須考慮一些因素。在測(cè)量人體生物信號(hào)的同時(shí)不能傷害人體、危及人身安全。而且脈搏信號(hào)的振幅也是比較小的，一般為10uV到50uV的信號(hào)。而采集顯示的時(shí)候一般要求在177。5V或以上范圍的信號(hào)。所以脈搏顯示電路很據(jù)上述功能，可采用兩種不同的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)： 把轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的脈搏信號(hào)，在單位時(shí)間內(nèi)（一分鐘）進(jìn)行計(jì)數(shù)，并顯示其數(shù)值，從而直接得到每分鐘的脈搏數(shù)。 測(cè)量脈搏跳動(dòng)的固定次數(shù)（比如10次、20次）所要的時(shí)間，然后轉(zhuǎn)換為每分鐘的脈搏數(shù)（需要一個(gè)倍頻電路）[3]。 這