基于LabVIEW的光电容积脉搏波信号采集系统
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LabVIEW 是美国国家仪器公司（ NI） 推出的虚拟 仪器开发平台，是计算机辅助测试（ CAT） 领域的一项 重要技 术。基 于 图 形 化 编 程 语 言 （ G 语 言） 的 LabVIEW 提供了功能强大的函数模块库，包含数学、仪器 I / O 和信号处理等方面的函数。利用 LabVIEW 软件 可直接对经由 PPG 信号硬件采集系统采集到的数字 信号进行处理，利用软件的功能来设计低通滤波器，避 免了滤波器硬件电路的设计，在降低设计难度的同时 增加了滤波处理的精度，更可有效避免在滤波过程中 引入的噪 声 和 信 号 失 真，使 信 号 保 持 较 高 的 真 实 性。 因此，基于 LabVIEW 来开发 PPG 信号采集系统具有 广阔的应用前景。
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《测控技术》2011 年第 30 卷第 12 期
基于 LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系统
章 伟，高 博，龚 敏
（ 四川大学 物理科学与技术学院，四川 成都 610064）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
摘要： 光电容积脉搏波包含了人体丰富的生理、病理信息，对其进行实时监测可为临床研究和诊断提供 科学的指导。开发了一套基于图形化虚拟仪器工程设计平台 LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系 统，可完成对该信号的实时采集、显示和数据存储。经过指端光电容积脉搏波信号的透射式采集实验， 在 LabVIEW 前面板上准确显示出了该信号的波形，有助于对光电容积脉搏波进行深入分析。 关键词： 光电容积脉搏波； 采集系统 中图分类号： R543 文献标识码： A 文章编号： 1000 － 8829（ 2011） 12 － 0016 － 04
图 1 典型的指端 PPG 波形图
质量好坏，而切迹和重搏峰又容易受到体内体外干扰 因素的影响而变化甚至消失，所以设计时要重点考虑 保留切迹和重搏峰，获取高质量的 PPG 信号。
2 系统架构
整个采集系统由硬件系统和软件系统构成，实现 了对人体 PPG 信号的采集、显示和存储。图 2 为 PPG 信号实时采集系统架构图。
图 2 PPG 信号实时采集系统结构图
系统的信号采集卡以 FPGA 为硬件核心，主要包 括光电 传 感 器 及 其 驱 动 电 路、模 拟 信 号 采 样 电 路、 RS232 接口电路和 FPGA 控制程序等。利用 FPGA 主 芯片驱动光源，LED 发出的单色光经人体透光区域吸 收之后，出射光由光电传感器接收并转为电流信号，该 电流信号转换为数字信号后，将数据经串口发送到 PC 机。LabVIEW 串口数据读取模块收到串口发送而来 的数据之后，对红光和红外数据分别进行计算和滤波 处理，最后 对 数 据 进 行 存 储 和 实 时 显 示，完 成 一 次 对 PPG 信号的采集。 2． 1 硬件采集系统设计
收稿日期： 2011 － 01 － 10 作者简介： 章伟（ 1986—） ，男，重庆永川人，硕士研究生，主要研 究方向为集成电路设计； 高博（ 1975—） ，男，山东人，讲师，主要 研究方向为集成电路设计； 龚敏，男，四川成都人，教授，主要研 究方向为集成电路设计、新型半导体材料与器件工艺。
床诊断和救护有重要的指导意义，但是由于 PPG 信号 在采集过程中易受体内、体外各种因素干扰，信号波形 容易受到影响，为信号特征参数的提取带来很大困难， 因此目前对 PPG 信号的应用还主要限于提取其振幅 来计算血氧饱和度、根据频率来得到心率上。可见，获 取高质量的 PPG 信号是其在临床上得到推广的重要 基础。
数据通信电路主要由串口电路构成，基于 UART 协议，采用 FPGA 产生时钟控制数据通信。FPGA 程序 基于 Quartus II 开发软件，采用 Verilog HDL 编写完成， 便于修改和扩展。系统时钟采用 50 MHz 晶振，设置 红光和红外的采样率均为 500 Hz，因而 DDC112 采样 频率为 1 kHz。由于设置数据按字节发送，所以 FPGA 主芯片每次接收到 DDC112 送过来一个采样点的 20 位数据之后，要先对数据高位补 4 位二进制数，组成 24 位数据。这里设置对红光数据高位补 4 位 0，对红 外数据高位补由 4 位二进制数表示的十进制数值 1。 根据 UART 协议 1 位起始位、1 位终止位和 8 位有效 数据的串口发送格式，每一个采样点需要主芯 片 向 RS232 串口发送 3 次 10 位串口数据，完成一个采样点 完整的数据采集和发送过程。据此可以设置串口波特 率为 57600 bit / s，来满足与 DDC112 的同步设计并实 现实时采集。
Abstract: Photoplethysmograph( PPG) includes abundant information of physiology and pathology． Real-time monitoring on it can provide scientific guidance for clinical research and diagnosis． A PPG signal acquisition system is introduced． This system is developed on an engineering design platform named LabVIEW，which is a virtual instrument based on graphic language． PPG signal acquisition system is used to collect，display and store data in real time． One experiment is carried out for this research，which gathers PPG signal from fingertip in transmission way． PPG waveform is exactly displayed on LabVIEW s front-panel． These display results are helpful to analyze PPG in depth． Key words: photoplethysmograph; acquisition system
② 交流分量（ AC） 。叠加在直流分量上，同步于 心率，主要反映动脉血中脉动部分对光的吸收［1］。
容积脉搏波的波形特征主要指脉动分量幅值与波 形变化的特征，典型的指端光电容积脉搏波波形如图 1 所示。一个完整的心动周期由射血期和舒张期组 成，其中射血期又分为快速射血期和减慢射血期。整 个脉搏波形又可分为升支和降支两部分，升支对应快 速射血期，其斜率和幅值受射血速度、心输出量及射血 遇到的阻力的影响； 降支包括减慢射血期和舒张期。 降支有一切迹，成为降中峡，是减慢射血期和舒张期的 分界。降中峡发生在主动脉瓣关闭瞬间，主动脉血液 返流被主动脉瓣阻挡而返流发生一个折返波，因此形 成一个重搏波。降支形状可大致反映外周阻力的高 低。外周阻力 高，降 支 下 降 快，切 迹 和 重 搏 波 位 置 较 高； 外周阻力低，降支下降快，切迹和重搏波位置较低。 主动脉瓣若关闭不全，舒张期会有血液倒流入心室，使 降支陡峭，重搏波不明显或消失。因此，可以根据脉搏 波形的振幅、是否存切迹和重搏峰、切迹和重搏峰的位 置 、由脉搏波得到的心率是否合理来判断PPG信号的
1 PPG 信号的波形特点
PPG 信号是基于动脉血液对光的吸收量随动脉搏 动而变化的原理而得到。当人体透光区域动脉血管搏 动时动脉血液对光的吸收量将随之变化，而皮肤肌肉、 静脉血等其他组织对光的吸收量是恒定的。因而可以 将 PPG 信号分为以下两个部分：
① 直流分量（ DC） 。由动脉血的非脉动部分、静 脉血和毛细管血部分以及肌肉组织等 3 部分的光吸收 组成。
光电容积脉搏波（ PPG，photoplethysmograph） 信号 是人体重要的生理信号，包含着人体心脏器官和血液 循环系统丰富的生理、病理信息。当一定波长的光束 照射到皮肤表面时，光束将通过投射或反射方式传送 到光电传感器。由于受到皮肤肌肉组织和血液的吸收 衰减作用，光电传感器检测到的光电强度会有一定程 度的减弱。当 心 脏 收 缩 时，外 周 血 管 扩 张，血 容 量 最 大，光吸收最强，因此检测到的光信号强度最小； 当心 脏舒张时，外周血管收缩，血容量最小，光吸收最弱，因 此检测到的光信号强度最大，使得光电传感器检测到 的光强度随心脏搏动而呈现脉动性变化。将此光强度 变化信号转换为电信号，再经放大后即可反映出外周 血管血流量随心脏搏动的变化［1］。PPG 信号对于临
硬件采集系统以 FPGA 为核心，分为以信号采集 电路为主的模拟电路和以数据通信为主的数字电路两 部分。
模拟信号采集电路主要包括光电传感器电路、基 于 TLC5620 的 LED 驱动电路和 DDC112 电流信号采 集电路。本文中光电传感器采用临床中广泛应用的 NELLCOR 传感器，该传感器采用不透明材料制作，具 备一定的抗光干扰的能力。通过借助万用表等仪器分
A Photoplethysmograph Signal Acquisition System Based on LabVIEW
ZHANG Wei，GAO Bo，GONG Min
( College of Physical Science and Technology，Sichuan University，Chengdu 610064，China)
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《测控技术》2011 年第 30 卷第 12 期
析传感器电路结构，该传感器由两个背靠背连接的红 光 LED 和红外 LED 以及一个光敏二极管组成。依据 该电路结构，本文设计采用红光和红外 LED 交替导通 以实现红光和红外的交替采集，避免了红光和红外采 集中的相互干扰。由 H 桥电路对传感器进行驱动， FPGA 产生采样时钟控制 H 桥电路中两个开关管实现 两个 LED 通道的选通，开关频率均为 500 Hz。FPGA 主芯 片 采 用 的 是 Altera 公 司 Cyclone 系 列 的 芯 片 EP1C6，含有 20 个 128 × 36 的 RAM 和 2 个 PLL，本设 计用其实现了 LED 选通和光强强度控制、数据采集控 制、数据存储和传输等功能。设计中 LED 光强由按键 调整，按键发出的光强调整信号经 FPGA 程序编码，由 TLC5620 进行数模转换，TLC5620 是一个 8 位电压输 出 DAC，串行数字信号输入，4 路模拟电压信号输出， 由 FPGA 程序设计其中两路作为两个 LED 管的发光 强度控制。TLC5620 转换后的信号输出到 H 桥电路， 通过放大管以实现光强度的增减控制。设置 LED 交 替导通和发光强度的调整实现了对光的调制，提高了 系统抗外界光干扰的能力。当人体出射的光强度信号 被光电传感器转为电流信号后，将该电流信号传输给 DDC112 电流采集电路，完成电流 － 电压转换和数模 转换，输出 20 位数据到 FPGA 主芯片。因此，本文中 一个采样点对应 20 位数据，实现了对 PPG 信号的高 精度采集。DDC112 是一种双端输入、20 位输出的电 流信号 ADC，采 样 频 率 最 高 可 达 2 kHz。本 文 中 将 DDC112 设置为连续工作模式，两个输入分时复用一 个 ADC，因而一片 DDC112 就可以实现红光和红外双 通道实时数据采集，电路结构得到简化，分时采集到的 数据分别存入 FPGA 的红光信号存储器和红外信号存 储器。
基于 LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系统
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本文中应用 FPGA 设计 PPG 信号采集卡，通过串 口实现采集卡和 LabVIEW 之间的数据通信。经过指 端透射式 PPG 信号采集实验，在 LabVIEW 前面板准 确显示出了 PPG 信号的波形，为后续分析打下了良好 的基础，说明应用 LabVIEW 设计 PPG 信号采集系统 的方案是可行的。
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《测控技术》2011 年第 30 卷第 12 期
基于 LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系统
章 伟，高 博，龚 敏
（ 四川大学 物理科学与技术学院，四川 成都 610064）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
摘要： 光电容积脉搏波包含了人体丰富的生理、病理信息，对其进行实时监测可为临床研究和诊断提供 科学的指导。开发了一套基于图形化虚拟仪器工程设计平台 LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系 统，可完成对该信号的实时采集、显示和数据存储。经过指端光电容积脉搏波信号的透射式采集实验， 在 LabVIEW 前面板上准确显示出了该信号的波形，有助于对光电容积脉搏波进行深入分析。 关键词： 光电容积脉搏波； 采集系统 中图分类号： R543 文献标识码： A 文章编号： 1000 － 8829（ 2011） 12 － 0016 － 04
图 1 典型的指端 PPG 波形图
质量好坏，而切迹和重搏峰又容易受到体内体外干扰 因素的影响而变化甚至消失，所以设计时要重点考虑 保留切迹和重搏峰，获取高质量的 PPG 信号。
2 系统架构
整个采集系统由硬件系统和软件系统构成，实现 了对人体 PPG 信号的采集、显示和存储。图 2 为 PPG 信号实时采集系统架构图。
图 2 PPG 信号实时采集系统结构图
系统的信号采集卡以 FPGA 为硬件核心，主要包 括光电 传 感 器 及 其 驱 动 电 路、模 拟 信 号 采 样 电 路、 RS232 接口电路和 FPGA 控制程序等。利用 FPGA 主 芯片驱动光源，LED 发出的单色光经人体透光区域吸 收之后，出射光由光电传感器接收并转为电流信号，该 电流信号转换为数字信号后，将数据经串口发送到 PC 机。LabVIEW 串口数据读取模块收到串口发送而来 的数据之后，对红光和红外数据分别进行计算和滤波 处理，最后 对 数 据 进 行 存 储 和 实 时 显 示，完 成 一 次 对 PPG 信号的采集。 2． 1 硬件采集系统设计
收稿日期： 2011 － 01 － 10 作者简介： 章伟（ 1986—） ，男，重庆永川人，硕士研究生，主要研 究方向为集成电路设计； 高博（ 1975—） ，男，山东人，讲师，主要 研究方向为集成电路设计； 龚敏，男，四川成都人，教授，主要研 究方向为集成电路设计、新型半导体材料与器件工艺。
床诊断和救护有重要的指导意义，但是由于 PPG 信号 在采集过程中易受体内、体外各种因素干扰，信号波形 容易受到影响，为信号特征参数的提取带来很大困难， 因此目前对 PPG 信号的应用还主要限于提取其振幅 来计算血氧饱和度、根据频率来得到心率上。可见，获 取高质量的 PPG 信号是其在临床上得到推广的重要 基础。
数据通信电路主要由串口电路构成，基于 UART 协议，采用 FPGA 产生时钟控制数据通信。FPGA 程序 基于 Quartus II 开发软件，采用 Verilog HDL 编写完成， 便于修改和扩展。系统时钟采用 50 MHz 晶振，设置 红光和红外的采样率均为 500 Hz，因而 DDC112 采样 频率为 1 kHz。由于设置数据按字节发送，所以 FPGA 主芯片每次接收到 DDC112 送过来一个采样点的 20 位数据之后，要先对数据高位补 4 位二进制数，组成 24 位数据。这里设置对红光数据高位补 4 位 0，对红 外数据高位补由 4 位二进制数表示的十进制数值 1。 根据 UART 协议 1 位起始位、1 位终止位和 8 位有效 数据的串口发送格式，每一个采样点需要主芯 片 向 RS232 串口发送 3 次 10 位串口数据，完成一个采样点 完整的数据采集和发送过程。据此可以设置串口波特 率为 57600 bit / s，来满足与 DDC112 的同步设计并实 现实时采集。
Abstract: Photoplethysmograph( PPG) includes abundant information of physiology and pathology． Real-time monitoring on it can provide scientific guidance for clinical research and diagnosis． A PPG signal acquisition system is introduced． This system is developed on an engineering design platform named LabVIEW，which is a virtual instrument based on graphic language． PPG signal acquisition system is used to collect，display and store data in real time． One experiment is carried out for this research，which gathers PPG signal from fingertip in transmission way． PPG waveform is exactly displayed on LabVIEW s front-panel． These display results are helpful to analyze PPG in depth． Key words: photoplethysmograph; acquisition system
② 交流分量（ AC） 。叠加在直流分量上，同步于 心率，主要反映动脉血中脉动部分对光的吸收［1］。
容积脉搏波的波形特征主要指脉动分量幅值与波 形变化的特征，典型的指端光电容积脉搏波波形如图 1 所示。一个完整的心动周期由射血期和舒张期组 成，其中射血期又分为快速射血期和减慢射血期。整 个脉搏波形又可分为升支和降支两部分，升支对应快 速射血期，其斜率和幅值受射血速度、心输出量及射血 遇到的阻力的影响； 降支包括减慢射血期和舒张期。 降支有一切迹，成为降中峡，是减慢射血期和舒张期的 分界。降中峡发生在主动脉瓣关闭瞬间，主动脉血液 返流被主动脉瓣阻挡而返流发生一个折返波，因此形 成一个重搏波。降支形状可大致反映外周阻力的高 低。外周阻力 高，降 支 下 降 快，切 迹 和 重 搏 波 位 置 较 高； 外周阻力低，降支下降快，切迹和重搏波位置较低。 主动脉瓣若关闭不全，舒张期会有血液倒流入心室，使 降支陡峭，重搏波不明显或消失。因此，可以根据脉搏 波形的振幅、是否存切迹和重搏峰、切迹和重搏峰的位 置 、由脉搏波得到的心率是否合理来判断PPG信号的
1 PPG 信号的波形特点
PPG 信号是基于动脉血液对光的吸收量随动脉搏 动而变化的原理而得到。当人体透光区域动脉血管搏 动时动脉血液对光的吸收量将随之变化，而皮肤肌肉、 静脉血等其他组织对光的吸收量是恒定的。因而可以 将 PPG 信号分为以下两个部分：
① 直流分量（ DC） 。由动脉血的非脉动部分、静 脉血和毛细管血部分以及肌肉组织等 3 部分的光吸收 组成。
光电容积脉搏波（ PPG，photoplethysmograph） 信号 是人体重要的生理信号，包含着人体心脏器官和血液 循环系统丰富的生理、病理信息。当一定波长的光束 照射到皮肤表面时，光束将通过投射或反射方式传送 到光电传感器。由于受到皮肤肌肉组织和血液的吸收 衰减作用，光电传感器检测到的光电强度会有一定程 度的减弱。当 心 脏 收 缩 时，外 周 血 管 扩 张，血 容 量 最 大，光吸收最强，因此检测到的光信号强度最小； 当心 脏舒张时，外周血管收缩，血容量最小，光吸收最弱，因 此检测到的光信号强度最大，使得光电传感器检测到 的光强度随心脏搏动而呈现脉动性变化。将此光强度 变化信号转换为电信号，再经放大后即可反映出外周 血管血流量随心脏搏动的变化［1］。PPG 信号对于临
硬件采集系统以 FPGA 为核心，分为以信号采集 电路为主的模拟电路和以数据通信为主的数字电路两 部分。
模拟信号采集电路主要包括光电传感器电路、基 于 TLC5620 的 LED 驱动电路和 DDC112 电流信号采 集电路。本文中光电传感器采用临床中广泛应用的 NELLCOR 传感器，该传感器采用不透明材料制作，具 备一定的抗光干扰的能力。通过借助万用表等仪器分
A Photoplethysmograph Signal Acquisition System Based on LabVIEW
ZHANG Wei，GAO Bo，GONG Min
( College of Physical Science and Technology，Sichuan University，Chengdu 610064，China)
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《测控技术》2011 年第 30 卷第 12 期
析传感器电路结构，该传感器由两个背靠背连接的红 光 LED 和红外 LED 以及一个光敏二极管组成。依据 该电路结构，本文设计采用红光和红外 LED 交替导通 以实现红光和红外的交替采集，避免了红光和红外采 集中的相互干扰。由 H 桥电路对传感器进行驱动， FPGA 产生采样时钟控制 H 桥电路中两个开关管实现 两个 LED 通道的选通，开关频率均为 500 Hz。FPGA 主芯 片 采 用 的 是 Altera 公 司 Cyclone 系 列 的 芯 片 EP1C6，含有 20 个 128 × 36 的 RAM 和 2 个 PLL，本设 计用其实现了 LED 选通和光强强度控制、数据采集控 制、数据存储和传输等功能。设计中 LED 光强由按键 调整，按键发出的光强调整信号经 FPGA 程序编码，由 TLC5620 进行数模转换，TLC5620 是一个 8 位电压输 出 DAC，串行数字信号输入，4 路模拟电压信号输出， 由 FPGA 程序设计其中两路作为两个 LED 管的发光 强度控制。TLC5620 转换后的信号输出到 H 桥电路， 通过放大管以实现光强度的增减控制。设置 LED 交 替导通和发光强度的调整实现了对光的调制，提高了 系统抗外界光干扰的能力。当人体出射的光强度信号 被光电传感器转为电流信号后，将该电流信号传输给 DDC112 电流采集电路，完成电流 － 电压转换和数模 转换，输出 20 位数据到 FPGA 主芯片。因此，本文中 一个采样点对应 20 位数据，实现了对 PPG 信号的高 精度采集。DDC112 是一种双端输入、20 位输出的电 流信号 ADC，采 样 频 率 最 高 可 达 2 kHz。本 文 中 将 DDC112 设置为连续工作模式，两个输入分时复用一 个 ADC，因而一片 DDC112 就可以实现红光和红外双 通道实时数据采集，电路结构得到简化，分时采集到的 数据分别存入 FPGA 的红光信号存储器和红外信号存 储器。
基于 LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系统
·17·
本文中应用 FPGA 设计 PPG 信号采集卡，通过串 口实现采集卡和 LabVIEW 之间的数据通信。经过指 端透射式 PPG 信号采集实验，在 LabVIEW 前面板准 确显示出了 PPG 信号的波形，为后续分析打下了良好 的基础，说明应用 LabVIEW 设计 PPG 信号采集系统 的方案是可行的。