基于FPGA的数字心率测量仪开题报告

 2022-01-11 21:16:17

全文总字数:4606字

1. 研究目的与意义(文献综述)

在科技水平和社会不断发展的大潮流下,人们在不断追求提升自身生活质量的同时,对于自己的健康状况也颇为重视,因为人体最重要的器官也就是心脏会出现或多或少的不正常表现比如心率紊乱和心率过快或过慢,这时候如果都选择去医院就医,这无非会对医院造成巨大的就诊压力,同时也会耽误身体的及时治疗,而且随着中国人口老年化的急剧加速,一旦出现病情拖不起也不能拖,科学家们为了能够让老年人或者是出现心脏不适的病人能够及时得到相应的诊治,于是在这样的社会背景下心率测量仪就应势而生,而且为了能够方便的进行测量和测量准确,首先要求心率测量仪应具有方便携带和功能可靠这两个基本条件,为此国内外的科学家们也在不断努力研制各种类型的心率测量仪。

随着机械及电子技术的发展,国内在研制中医脉象仪方面进展很快,尤其是70年代中期,国内多地相继成立了跨学科的脉象研究协作组,多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界,脉象探头式样很多,有单部、三部、单点、多点、刚性接触式、软性接触式、气压式、硅杯式、液态汞、液态水、子母式等组成、脉象探头的主要元件,有应变片、压电晶体、单晶硅、光敏元件、pvdf压电薄膜等[4],无疑这些器件都会避免不了在测量方面出现的系统误差,而且测量时间较长测量位置要求较苛刻,这就使得测量仪无法及时准确的将心率数值传送给被测对象,而近年来随着科学技术的发展迅速,国内对于心率测量仪的研发也更加投入,特别是对于非接触式的传感器的研究上面,科学家们利用人体的生物特性也即血液的光谱吸收等原理,通过摄像头收集到人体表面的光颜色的变化以此来进行处理和应用,并且还会利用到蓝牙模块和手机app的互相配合来完成,能够在不接触人体的情况下实现对心率的监测[1],虽然此方法设计出来的产品使用起来简便,但是对于网络和蓝牙的连接较高,可能会由于外部磁场的干扰导致测量出现不必要的误差。

国外对于脉搏测测量仪的研究主要是集中在对接触式传感器上的研究,利用此类传感器所研制的指脉、耳脉等测量仪各有其优缺点,指脉测量比较方便、简单,但因为手指上的汗腺较多,指夹常年使用,污染可能会使测量灵敏下降,耳脉测量比较干净,传感器使用环境污染少,容易维护,但因耳脉较弱,尤其是当季节变化时,所测信号受环境温度影响较明显,造成测量结果不准确[5]。

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2. 研究的基本内容与方案

基本内容:

查找文献和浏览相关资料,了解国内外目前心率测量仪的发展研究现状,设计相应的模拟电路来测量人体脉搏传送给FPGA,同时利用FPGA的编程性语言VHDL设计制做心率测量仪,并将测量出来的平均心率结果通过数码管进行显示。要求通过红外传感器检测出人体脉搏跳动的次数并判断是否正常,通过数码管显示相应的数据。心率出现的异常情况(每分钟心率>=120,<=50)时,LED则保持常亮。

技术方案:
(1)外接模拟电路部分
本设计部分利用红外传感器的人体血管床对于红外光信号的吸收和反射原理来实现对脉搏信号的接收以及相应的放大滤波处理,此时对于脉搏信号的采集则是利用人体中氧合血红蛋白以及还原血红蛋白的光谱吸收特点,采用发光二极管发射相应频率波长的光,此时光波长在900-950nm这个波段时,两种血红蛋白吸收光谱曲线变化缓慢而且最为接近[13],所以此发光二极管发射出来的波长则选用905nm左右最为合适,当红外传感器接收到在同一侧二极管发射出来的光波经过血管床反射得到的光信号。然后通过光电转换转换为电信号传输,由于该电信号的微弱性和混合复杂性需要进行电信号的放大以及滤波电路的去除不需要的电信号,并连接到A/D转换器上,将模拟信号转换为数字信号以便于FPGA对于心率信号数据的采集[3]。
(2)FPGA处理和显示部分
将经过模数转换器后得到的心率数据通过相应的接口接入FPGA,通过VHDL设计不同的模块实现通讯接口电路和显示译码电路,并编写顶层电路来连接各个模块以实现各个程序在顶层文件中的调用正常和功能的完整性[8]。同时在译码显示部分中进行数值的计算和做判断语句进行数值比较,并将心率数值显示在数码管上,如果所测得的心率数值大于120或者是小于50,此时便设计数码管下的所有LED灯全亮,并且同时将数值显示在数码管上[7]。设计思路和设计方案如下图1所示:
图1 设计流程框图

3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,明确研究内容,了解本课题研究所需的理论知识,初步确定设计方案,撰写开题报告。

第4-5周:对系统所涉及各部分进行模块划分,并对各个模块的基础原理知识进行系统学习,掌握基于vhdl和fpga开发的方法,学习基于红外传感的心率测量仪设计原理。

第6-12周:完成基于完成各个模块的编写和连接,完成基于fpga的数字心率测量仪软硬件设计。

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4. 参考文献(12篇以上)

1、吴涵,陈龙,陈子为,吴正正.基于fpga的非接触式人体心率测量系统[j].电子技术与软件工程,2019(20):80-81.

2、李梦妮. ecg心率变异性分析的算法设计及fpga实现[d].西安电子科技大学,2016.

3、徐宏祥,田丰,刘国权,于东阳,曹祎.基于fpga的数字心率监测仪设计[j].微处理机,2011,32(06):84-86 90.

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