目前，心血管疾病的診斷主要分為兩種類型：無創診斷和有創診斷。其中，無創診斷包括心電圖、動態心電圖和心音圖、超聲心動圖以及現代醫學影像技術等[1]；侵入性診斷主要指動脈造影技術，但會帶來並發症。非常嚴重的心血管疾病無法通過心電圖正確診斷，早期心髒病會引起心音信號成分的變化。通過心音圖分析心音成分和雜音，可以正確診斷早期心血管疾病。心音信號是一種非常微弱的隨機信號，在采集過程中不可避免地引入噪聲。衛哲等人。設計了一種基於聲卡的心音信號采集與處理係統[2]。該係統充分利用了計算機資源，但計算機本身噪聲較大，采集信號的信噪比較低。童英華設計了一種基於單片機的心音和脈搏信號采集係統[3]，但單片機存在傳輸速率低的問題。本文設計了一種基於FPGA的心音采集係統。該係統采集的心音信噪比較高，適合後續研究。
1 采集係統總體設計
該采集係統框圖如圖1所示。該係統由心音傳感器、信號預處理電路、A/D轉換電路和PC機組成。其中，信號預處理電路首先對心音信號進行前置放大，然後經過帶通濾波（由低通濾波電路和高通濾波電路組成），最後經過後置處理。 - 放大電路。帶通濾波電路可以通過開關控製，前置放大器的輸出可以通過開關控製直接跳過帶通濾波電路，直接送到後置放大電路。由於前置放大器信號僅將心音信號放大到幾百毫伏，因此信號仍然很小。微弱，因此心音信號通過後放大電路放大到+5V範圍，然後輸出到A/D轉換電路。 A/D轉換電路采用8位、32 MS/s模數轉換單片AD9280。 A/D轉換後的數據直接傳輸到FPGA，FPGA通過串口將數據實時發送到PC機，實現整個采集係統。
基於FPGA的心音信號采集係統設計
2 采集係統實現
2.1 心音傳感器研究
心音傳感器是整個係統的重要組成部分，其特性對於采集信號的質量至關重要。本文設計了一種基於駐極體電容麥克風的高質量、低成本心音傳感器。該傳感器靈敏度高，抗幹擾能力強。除了提取微弱的心音信號外，還可以盡可能不受外界噪聲的幹擾[4]。該傳感器由微型駐極體麥克風和聽診器的聽音頭組成。聽診器采用歐洲石130K，帶雙麵探頭。製作時，將聽診器的橡皮管剪掉，留下10厘米左右。該傳感器對心音的敏感度較高，對外界聲音幾乎沒有響應[5]。振膜接收到聲波後會相應振動，同時引起板間距離的變化。電容計算公式為：
其中，為電解質常數，S為極板的表麵積，d為極板之間的距離。由式（1）可以看出，當電容發生相應變化時，由於R阻值較大，充電電荷Q來不及變化，導致電容兩端電壓發生變化，即：
U=Q/C (2 )
這樣，麥克風將聲音信號轉換為電壓信號。
2.2 心音信號預處理電路
2.2.1 心音信號前置放大電路設計
傳感器輸出的心音信號微弱且混有噪聲。為了提取有用的信號，必須進行放大和濾波。本文采用同相輸入電路，輸入電路必須滿足以下要求：
(1)前級的輸入阻抗必須足夠高，以保證心音信號的穩定放大。心音信號源本身是微弱的振動源，聲波轉換為電信號的過程表現出高內阻特性[6]。粗略估計放大器輸入端連接的信號源內阻高達100 k。
(2) 高共模抑製比(CMRR)。生物電放大器的CMRR值一般要求達到60dB~80dB。但放大器前麵的傳感器係統影響了其實際的共模能力，將共模幹擾轉化為差模幹擾，降低了整個前級的CMRR。然而，可以通過增加放大器的輸入阻抗來減少這種轉換，從而確保高共模抑製比。
(3)低噪聲、低漂移。由於心音信號幅度較低，僅在毫伏級，並且混有較大的熱噪聲，為了使輸出信號具有較高的信噪比，需要放大器內部噪聲要低。為了滿足實驗需要，選用NE5532運算放大器，它是一款高性能、低噪聲的運算放大器。與大多數標準運算放大器相比，它具有更好的噪聲性能、輸出驅動能力以及更高的小信號和電源帶寬。前置放大電路前端加一個電解電容起濾波作用，讓高頻成分通過，濾掉低頻成分。放大電路如圖2所示，放大倍數為1+(R11+R12)/R14。
基於FPGA的心音信號采集係統設計
2.2.2 心音信號高通濾波電路設計
前置放大電路輸出的信號並不是純粹的心音信號，而是混有大量的工頻幹擾和低頻成分[7]，如傳感器與皮膚的摩擦聲、呼吸噪聲等。來自錄音儀器的幹擾。這不僅不利於後續的分析和研究，還可能淹沒心音信號。因此，本文設計了高通濾波器電路來消除上述噪聲，如圖3所示。二階高通濾波器的傳遞函數為：
2.2.3 低通濾波器電路
從高通濾波電路出來的心音信號中還混有高頻麥克風與人體皮膚摩擦產生的幹擾。低通濾波電路用於濾除高頻幹擾成分。電路圖如圖4所示。
2.2.4 後級放大電路
由於前級信號僅將心音信號放大到幾百毫伏，信號還很微弱，所以通過後級放大電路將心音信號放大到+5V範圍。
2.3 A/D轉換電路
AD9280 是一款單芯片8 位模數轉換器(ADC)，由單電源供電，具有片上采樣保持放大器和參考電壓源。它采用多級差分流水線架構，數據速率為32 MS/s，在整個工作範圍內無漏碼。輸入旨在使成像和通信係統的開發變得更加容易。用戶可以從各種輸入範圍和偏移中進行選擇，並以單端或差分方式驅動輸入。 AD9280 具有片上可編程電壓基準。還可以使用外部電壓基準來滿足應用的直流精度和溫度漂移要求。由+2.7V~+5.5V電源供電，非常適合高速應用中的低功耗運行。額定溫度範圍為-40~+85工業溫度範圍。 A/D轉換電路如圖6所示。
2.4 FPGA控製串行通信
結合項目現有設備DB2C8核心板，通過DB2C8核心板的擴展端口傳輸信號放大電路和A/D轉換電路，將A/D轉換後的數據傳輸到FPGA芯片EP2C8Q208。 A/D 轉換的采樣時鍾由FPGA 產生來控製，利用FPGA 的FIFO 存儲器存儲A/D 轉換後的數據，然後控製串行通信的波特率為115 200 b/s實時傳輸。 FPGA仿真波形如圖7所示。 FIFO為異步讀寫，FIFO寫入時鍾速率為8 kHz，讀取速率為60 MHz，串行通信的波特率設置為115 200 b/s，為如圖7所示，PORT_txd是串口輸出，q是FIFO的讀取。
該采集係統在FPGA的控製下能夠快速、方便地采集心音信號數據。采集數據繪製的波形如圖8所示。該係統數據傳輸速率高，可以在噪聲背景下提取有用的心音信號，使得心音的采集更加方便，使得心音的建立更加方便。圖書館實用。
