基于fpga的全数字胎心仪立项申请书

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1、云南大学大学生科技创新创业行动计划编号云 南 大 学 研 究 生 科 研 课 题 资 助 项 目立 项 申 报 书（ 一 般 项 目 ）项目名称： 基于软件无线电及 FPGA 的数字式胎心仪关键技的研究 申请人：邓竑杰 所 在（院） 系：信息学院申 请 人 电 话：15198960197 指导教师：何乐生 填表日期：2012 年 12 月 28 日云南大学学生科技创新与创业计划领导小组办公室制2009 年 9 月0填 表 说 明1、 写申请书前，请先认真阅读云南大学研究生科研课题资助项目管理办法（试行） 和相关通知。2、 申请书各项内容，必须实事求是，表达要明确严谨，并要求打印或用钢笔填写。页

2、面不够时可加页，不得破坏后面表格的完整和美观。对于填写不合要求、内容含糊不清、字迹潦草者，不予受理。3、 上报的申请书一式二份（含一份原件） ，项目获准后申请书由学校签署意见并保存一份，另一份返回院系存档。4、封面编号由领导小组办公室统一编写。5、该申请书为 A4 纸，各单位或个人可以从云南大学学生科创中心网、云大团学资讯网自行下载或翻印，但格式、内容、大小应与原件相同。1一、项目申请人情况 姓名 邓竑杰 性别 男 民族 汉 出生日期1989 年 7 月 9 日所在（院）系 信息学院 专业、班级 电子与通信工程项目名称基于软件无线电及 FPGA 的数字式胎心仪关键技的研究 项目负责人通讯地址

3、昆明市翠湖北路 云南大学信息学院 电话15198960197项目组其他成员（不包括申请人和指导教师）姓名 性别 年级 所在院系 专业 分工 签名张丽娜 女 2012 信息学院 电子与通信工程 AD 采样蒋哲 女 2011 信息学院 信号与信息处理 FPGA 数字处理部分王光铭 男 2012 信息学院 电子与通信工程 ARM 应用部分项目组成员参加科研的经历自何年月 至何年月 参加的项目 担任的工作2012 年1 月至今参与国家基金项目“先天性心脏病心音库构建与心音特征提取方法研究”主要承担特征提取和频谱分析工作2012 年 1月 2014 年 1 月参与云南教育厅科学研究基金项目“基于 FPG

4、A 的双核 FFT 处理器的研究与设计”主要承担多核协作方案选取及完善处理单位等工作。 、申请承诺我承诺对本人填写的各项内容的真实性负责，保证没有知识产权争议。如获准立项，我承诺以本表为有约束力的协议，遵守云南大学本科学生科研立项管理实施办法的有关规定，按计划认真开展研究工作，取得预期研究成果，按时结项。申请人签字：年月日二、研究项目简介21、选题意义：项目选题的背景介绍，理论和现实意义 胎心是胎儿在子宫内心脏跳动的声音，节奏整齐。通过胎心可以了解胎儿的健康状况，一般怀孕 7 周左右可以通过 B 超看见胎儿的心脏跳动，12 周左右便可以通过胎音仪检测到胎儿的心脏跳动。在胎儿出生前胎音是胎儿与外

5、界联系的桥梁，也是胎儿健康的重要指标。 。对于一般孕妇，进行胎心自我监测，可以随时了解到胎儿的健康情况，以及预防可能的意外。传统的胎心仪是基于模拟电路设计的。传统的胎心仪利用震荡电路产生一个信号经过滤波后产生一个接近正弦波的信号，超声波遇到心脏反射后，传统的胎心仪直接对模拟信号进行解调滤波，再将所需的信号转换成电压信号以得到胎心的频率。所得到的电压信号其实就是心跳的加速度。纯模拟电路弊端较多，比如季节更替和地域的同，环境温度有很大改变时，测量的精度都有所改变。不能很好的保证的胎心仪的精度。由于同一种元器件的参数都不可能完全相同，每个电路都需要调试，给大批量生产中带来了不便，难度很高。基于 FP

6、GA 的全数字胎心仪是采用软件无线电技术的思路来提高传统胎心仪的稳定性，同时也提高了频率的分辨率和灵敏度。是一种利用数字技术代替传统的基于模拟下变频和压频变换技术的胎心仪。基于 FPGA 的数字式胎心仪把 FPGA 运用到了医疗仪器领域。是一种较新的方法，符合当今的潮流。运用 FPGA 和 ARM 相结合的方法完成。具体实现思路和原理在以下内容介绍。2、研究内容：本项目研究的基本思路和主要观点。3基于 FPGA 的数字胎心仪主要使用的是软件无线电的技术。传统的胎心仪基本都是针对模拟信号进行处理，然而与传统信号处理方式不同。基于 FPGA 的数字胎心仪主要使用的是软件无线电的技术方法来设计完成。

7、全数字的方法不需要每次都调试电路。模拟电路则需要调试，很多元器件即使是同一批生产都可能参数也不一，比如电容。而全数字的各种参数值就是固定的。数字胎心仪的物理原理是胎心仪发送一个超声波，分为 2Mhz 和 8Mhz。针对身体瘦弱的人使用 8Mhz，较胖的人则使用 2Mhz 的超声波，2Mhz 的波波长较长，穿透力强。效果更加好。超声波遇到胎儿心脏后反弹，因为心脏的跳动发生了多普勒效应。发射的超声波的频率远远高于心脏的频率，因此相对发射信号发射回来的信号只是发生了很小的频移。接收的信号的频移大概是（V1/V ）*F(V1 是心脏速度，心脏跳动时心脏做的是变速运动)。数字胎心仪在处理数字信号中使用了

8、数字下变频的方法来获得所需的信号。图 1 数字下变频由于接收的信号真正有用的信息相对于发射信号的频率只是发生了很小的那部分频移，不便于获得信息。我们需要将频率信息搬移到低频区域，使低频信息更加明显。我们采用数字下变频，对接收信号进行 20Mhz 的 AD 采样，这样数据在高速情况下进入 FPGA 中进行处理，利用预先存储在 FPGA 中的频率和发射信号一样的正玄波与采样信号相乘，使信号发射频移，这样所需要便被移到了低频区。再用过一个低通数字滤波器便可以得到所需的信号。由于此时的数据处于一个高速状态，无法直接送入低通器滤波，因此必须先通过一个降速滤波器。最后所需4要的信号是一个频率很低的信号，在

9、降速取样的过程中需要的信息不会有损失。再通过一个 IIR 低通滤波器。便可以得到所需要的信号。图 2 频率的搬移 图 3 低通数字滤波降速抽样滤波后的数字信号是一个速率很低的数字信号，ARM 便可以对这部分信号进行谱分析，因为只需要得到信号的频率信息。可以利用信号的自相关系，利用信号的自相关函数来求出胎心频率。具体算法还研究中。FPGA 是一种高成本高功耗的集成芯片。FPGA 的程序是保持在外部的存储器中，无法进行加密。因此在低速率的数字信号可以利用 ARM 进行处理，ARM 的功耗远远低于 FPGA，并且有着更低的成本。并可以对程序进行加密。但是 ARM 无法处理太高速率的信号，只有在利用

10、FPGA 下变频后才能对信号进行降速滤波。FPGA和 ARM 的结合保证了整个系统可以进行全数字的处理，也降低了整个系统的功耗与成本。ARM 也弥补了 FPGA 不能加密的缺点。相对于纯模拟电路，基于 FPGA 的数字胎心仪更加容易在硬件方面实现，与模拟电路不同，数字电路不需要在每个电路中进行调试，在实际批量生产中有很大的优势。3、研究方式和进度安排：拟采用的研究方法、技术路线、实验方案及进5度初步安排。基于 FPGA 的全数字胎心仪使用的软件无线电技术。整个信号处理不再是对模拟信号进行处理，而是完全的数字信号，更高的频率，更高的准确性。FGPA 的数字处理部分运用的是 Altera 公司的

11、FPGA，各模块是在 QuartusII 平台上利用 Verilog硬件语言完成，仿真是在 Altera 公式提供的 modelsim 和 niosII 上进行，最后在硬件平台 DE2 平台上测试。发射电路部分发射正弦波，使用了直接数字式频率合成器（DDS） ，与传统的频率合成器相比，DDS 具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点。市场有很多现成的 DDS 芯片，而且大多都内置了 D/A 转换器，只需要通过 FPGA 输出控制字就可以得到所需的正玄波。AD 采样主要通过暂定使用 AD9200 芯片进行，这是一种采用多级流水线架构的 AD 转换芯片，有着成本较低，精确度高等特点，集成度

12、高。对接收的信号进行20M 的采样速率。FPGA 是当今集成度最高的集成电路的一种，使用 FPGA 来实现数字电路可以大大的缩短设计时间，减少 PCB 的面积，提高系统的稳定性。整个信号处理部分通过 Altera 公司的 FPGA 芯片进行数字信号处理，大大节省了开发时间和 PCB 的面积，提高了系统的稳定性。下变频中产生的正交信号使用预先存储在 FPGA 中的信号与采样信号相乘，达到频率的搬移。使所需要的频率信号搬移到低频区域。实现下变频。此时由于信号的速率很高，必须通过一个积分梳状滤波器（CIC）使数据速度降下来才能进入低通滤波器。此时的信号速率比数字信号所含信息的频率大很多，降速后所需信

13、息依然可以很好保存。再通过一个低通滤波。滤波器使用的是 IIR 低通滤器，它与常用的FIR 低通滤波器相比抽头更少，更加节约 FPGA 资源，但只是损失了信号的相频信息。IIR 低通滤波器与 CIC 滤波器都用 Verilog 硬件语言实现。在数字信号频率较低时，使用嵌入式系统对数据进行处理，减小了系统的功耗和成本，也可对算法进行加密，弥补了 FPGA 不能加密的不足。经过 FPGA 获得的信号将通过 Cortex-M3 系列处理最后得到胎心。基于 FPGA 的全数字胎心仪将安模块进行设计，分块进行测试，最后进行整体实验。现已完成 AD 采样和 DDS 发射模块的设计，制板测试。FPGA 部分

14、将使用6Altera 的 FPGA，在 quartus 上利用 Verilog 语言实现功能，先进行功能测试，再进行时序测试，利用 modelsim 和 nios2 进行软件仿真测试成功后，最后在 DE2 实验板上进行测试，测试通过后。将所有的模块在一起实验测试，成功后制作最后的胎心仪的板子完成实物制作。4、预期价值和成果形式：研究的理论创新程度或实际应用价值，结项提7交的成果形式。基于 FPGA 的主要把软件无线电技术用到了医疗设备上，使胎心仪完全数字化，符合当今潮流。FPGA 可以在高频段处理数据，并且精确度高，但是 FPGA 功耗高，价额高。当数据速率降下来以后，便可以使用 ARM 来进

15、行处理。ARM 的功率和价格都远远低于 FPGA 的价格和功耗。同时 ARM 的内部存储器可进行加密，也弥补了 FPGA 不可加密的缺点。全数字的系统相比模拟系统不需要过多的调试，在实际大批量生产时，也有很大的优势。现在一般的传统的胎心仪只有在怀孕 12 周左右才能听见胎心，基于 FPGA 的数字式胎心仪，可以将时间提前 2 周左右，在十周左右便可听见胎心。使胎儿的健康状况能更早的被检测到，胎心仪基于 FPGA 的使用，数字化中，拥有了更高的稳定性频率分辨率和灵敏度。结果更加的准确。结项提交结果将会以论文、专利和世界产品。实际产品将会和浙江巴贝公司合作共同推出。5、研究工作已有基础条件和参加者研究能力和时间保证。8AD 采样实验板已制作完成，经过反正实验被制完成。如下图：图 3 AD 采样板DDS 模块的实验板也已经制作完成，实验板在制作过程中。参加研究者已掌握基于 FPGA 胎心仪的基本原理，熟练掌握 QuartusII 平台使用方法以及 Verilog 硬件语言。熟悉软件无线电技术。熟悉数字信号处理中CIC、 FIR、IIR 等滤波器的原理和实现方法，等示波器，万能表等一系列的实验工具。所有工作在 2013 年 1