摘 要

本课题欲设计便携式的ECG(人体心电)信号的实时采集，滤波运算处理和传输的系统。该系统采用的主控制器为FPGA(Filed-Programmable Gate Array ),通过具有超高精度的二十四位模数转换芯片进行模拟心电信号的采集和数字化转换，再以有限长滤波器(FIR)进行高效的数字滤波。本系统采用串口通信的方式进行数据传送，并且可以升级为USB接口，将通过滤波器处理后的心电信号数据交给上位机(包括平板，智能手机以及电脑)，以便于用户能够随时进行自我初步检测和诊断。

本设计分为心电信号采集模块、心电信号滤波处理模块和串口通讯模块设计。心电信号采集模块完成了采集电路的设计以及模数转换；心电滤波模块主要完成对24位数字信号的滤波器的设计和FPGA实现；串口通信模块主要采用异步通信，可由串口转USB数据线完成对智能终端的通信。

通过ISE软件仿真结果表明，各设计模块完成了对应的功能。

关键词：ECG信号处理；FPGA；ISE；FIR滤波器

Abstract

This paper is aimed to design a portable ECG (human electrocardiogram) signal real-time acquisition, filtering operation processing and transmission system. This system uses FPGA (Filed-Programmable gate array) as the main controller with super high precision of 24 bit analog-to-digital conversion chip for analog ECG signal acquisition and digital conversion, again with finite length filters (FIR) for efficient digital filter. This system adopts serial communication for data transmission, and can be upgraded to USB interface, through the data of ECG signal processing filter over to the host computer (including flat, intelligent mobile phone and computer), so that the user can readily self preliminary detection and diagnosis.

This design can be mainly divided into three part: ECG signal acquisition module, ECG signal FIR filtering processing module and serial communication module. The first module provides the circuit design of signal acquisition and analog-to-digital converting; the second part accomplishes the design of high-order 24-bit digital filter and the last module finishes the design of serial communication to send data to the smart terminals. Serial port to USB line can be applied to finish the transmission task.

All the design has been simulated by ISE software produced by Xilinx corporation. The result shows that every module finish its function.

Key Words：ECG Signal Processing；FPGA；ISE；FIR filter

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 项目背景知识 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 设计内容与目标 2

第2章 系统硬件设计 3

2.1 心电信号采集电路 3

2.2 AD转换电路 4

2.3 FPGA系统电路 6

2.4 串口通信电路 6

第3章 系统软件设计 9

3.1 控制模块设计 9

3.2 ADC模块软件设计 11

3.3 输入缓冲模块设计 13

3.4 数字滤波器设计 15

3.4.1数字滤波器介绍 15

3.4.2 数字滤波器设计方法 16

3.4.3 数字滤波器的FPGA实现 16

3.5 输出缓冲设计 18

3.6 串口通信设计 19

第4章 系统仿真 21

4.1 ADC模块测试仿真 21

4.2 输入缓冲测试仿真 22

4.3 滤波器模块测试仿真 22

4.4 输出缓冲和串口通信测试仿真 23

4.5 系统综合测试 24

第5章 总结与展望 26

参考文献 27

致谢 28

第1章 绪论

1.1 研究目的与意义

一直以来，心血管疾病都是威胁人类生命安全的重要因素之一。在二零一二年全球有近一千七百五十万人死于心血管疾病，占死亡总人数的35%，这些死者中有四成死于冠心病，死于中风的也接近四成。心血管疾病主要集中在发展中国家、低收入国家。由于人们的不健康饮食，不良习惯嗜好如无节制的吸烟、饮酒，无规律作息以及缺少适当的健身运动，心血管疾病的问题日益严重，对其的防治愈发受到关注。

我国每年死于心血管疾病的人数也在上升。每年都有新闻报道大学生体测长跑心脏猝死。随着人类社会的发展，人们的饮食生活在改善的同时，也不断面临着来自四面八方的更多的压力，越来越多的人变得肥胖，缺乏锻炼，承受着巨大的生活压力，且饮食无规律，作息无规律，这些都为心血管疾病埋下了祸根。

心血管疾病的另外的特征是它的潜伏性和突发性。它没有明显的症状可言，一旦出现急性的心肌梗塞、心绞痛、胸闷时，已属于比较严重的地步。因此心血管疾病若在早期发现就很容易治疗。然而心脏病的检测必须要到医院通过复杂的仪器测量，并需要医生的分析，因此阻碍了患者对心血管疾病的实时监测。由此，便携式的人体心电(ECG)采集检测设备备受瞩目。

1.2 项目背景知识