·16·《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）
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
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，统，
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
A Photoplethysmograph Signal Acquisition System Based on LabVIEW
ZHANG Wei，GAOBo，GONGMin
(College of Physical Science and Technology，SichuanUniversity，Chengdu610064，China)
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，whichis a virtual instrument based on graphic language．PPG signal acquisition system is used to collect，displayand store data in real time．One experiment is carried out for this research，whichgathers 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 photoplethysmograph ）信号光电容积脉搏波（PPG ，
包含着人体心脏器官和血液是人体重要的生理信号，
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
外周血管扩张，血容量最度的减弱。当心脏收缩时，
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
再经放大后即可反映出外周变化信号转换为电信号，
［1］
血管血流量随心脏搏动的变化。PPG 信号对于临
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
体外各种因素干扰，信号波形在采集过程中易受体内、
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
根据频率来得到心率上。可见，获来计算血氧饱和度、
取高质量的PPG 信号是其在临床上得到推广的重要基础。
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Lab-VIEW 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。
基于LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系统本文中应用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。
·17·
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
1PPG 信号的波形特点
整个采集系统由硬件系统和软件系统构成，实现
显示和存储。图2为PPG 了对人体PPG 信号的采集、
信号实时采集系统架构图
。
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
而皮肤肌肉、动时动脉血液对光的吸收量将随之变化，
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。
②交流分量（AC ）。叠加在直流分量上，同步于
［1］
心率，主要反映动脉血中脉动部分对光的吸收。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
升支对应快个脉搏波形又可分为升支和降支两部分，
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
由脉搏波得到的心率是否合理来判断PPG
信号的置、
图2PPG 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
出射光由光电传感器接收并转为电流信号，该收之后，
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
最后对数据进行存储和实时显示，完成一次对处理，
PPG 信号的采集。
2．1硬件采集系统设计
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
图1典型的指端PPG 波形图
·18·
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
避免了红光和红外采以实现红光和红外的交替采集，
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
开关频率均为500Hz 。FPGA 两个LED 通道的选通，
主芯片采用的是Altera 公司Cyclone 系列的芯片EP1C6，含有20个128ˑ 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
数据存储和传输等功能。设计中LED 光强由按键制、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
4路模拟电压信号输出，出DAC ，串行数字信号输入，
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
20位输出的电精度采集。DDC112是一种双端输入、
流信号ADC ，采样频率最高可达2kHz 。本文中将DDC112设置为连续工作模式，两个输入分时复用一
因而一片DDC112就可以实现红光和红外双个ADC ，
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。
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50MHz 晶振，设置红光和红外的采样率均为500Hz ，因而DDC112采样
所以FPGA 频率为1kHz 。由于设置数据按字节发送，
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。
1位终止位和8位有效根据UART 协议1位起始位、
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57600bit /s，来满足与DDC112的同步设计并实现实时采集。
2．2
《测控技术》2011年第30卷第12期
LabVIEW 应用程序
通过使用LabVIEW 独特的图形化编程语言（G 语
实现PPG 信号采集虚拟机系言）开发PC 机应用程序，
统。整个LabVIEW 程序主要由串口读取、寻找同步、数据计算、滤波显示和数据存储几部分构成。图3为LabVIEW 读取并处理PPG 信号数据的流程
。
图3LabVIEW 读取并处理的流程
LabVIEW 程序是数据流方式驱动的，节点之间的数据流控制着程序的执行次序。因此可以通过节点之间的连线来完成节点之间的数据传递，取代文本程序
使程序更加简洁高效、清晰易读。由于中变量的作用，
按键会导致信号波形出在打开硬件采集系统电源时，
现明显抖动，需要去除这一部分干扰信号。处理方法是打开电源后，让光电传感器先短时间暴露在自然光中，这时其输出的电流信号经DDC112采样后输出的20位数据全为1，按前文提到的方法由FPGA 补齐24位数据并发送至PC 机。据此可设置红光高电平数据“0F FF FF ”为红光通道同步字，设置红外高电平数据“1F FF FF ”为红外通道同步字。在数据处理之前设置
本文中设置红光同步字“0F FF 一个找同步的过程，
FF ”为同步信号。找到同步信号后，再进行后续的数
这样就可以去掉电源开启时按键的抖动干扰。据处理，
LabVIEW 提供了功能强大的虚拟仪器软件体系结构库（VISA 库），起着连接计算机与仪器的作用，以
如实现对仪器的程序控制。VISA 适用于各类仪器，
VXI 、PXI 、GPIB 、RS-232和USB 等，且与硬件接口无关，因此利用VISA 可轻易实现PC 机与硬件采集系统之间的通信。
LabVIEW 程序开始运行之后，当串口有数据来到，每次都将串口缓冲区的数据全部读取，然后再存入数据缓冲区。由于LabVIEW 将数据从串口读取出来时是16进制字符串的格式，因此需要先把字符串转换为无符号字节数组的形式，再按字节逐个存入数据缓
队列大冲区。本文中的缓冲区采用队列的方式设计，
小应当合理设置，既要保证其数据存储能力，又不浪费内存。在数据入队列的操作开始后，先延时1000ms ，
基于LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系统以保证队列中有有效数据，然后执行数据出队列操作，
，寻找同步信号“0F FF FF ”以同步实际所需的有效数就开始从队列读取红外采集通道据。待找到同步后，
的有效数据。由于从FPGA 硬件采集系统发送上来的数据是3B 作为一个采样点数据，所以一次应从队列中读取3个元素，并计算出采样点的电压值。红光通道的数据读取和计算类似于红外通道。采用队列缓冲区之后，数据的存入和处理是并发的，当队列空时，程序暂时停止数据处理；当FPGA 信号采集卡采集并传送数据的速度很快时，程序将来不及处理的数据暂时存入队列缓冲区，保证了串口数据不会出现丢失和串位。
·19·
3
图4LabVIEW 获得的指端PPG 信号波形图
实验结果
由于PPG 信号在采集过程中会受到呼吸、肢体抖动和工频等干扰，需要对干扰信号进行排除以得到PPG 信号。人体脉搏频率约为1 4Hz ，工频干扰常因此工频干扰可由低通滤波器排除。在50Hz 左右，
最常用的低通滤波器有巴特沃斯滤波器切比雪夫滤波器。巴特沃斯滤波器在整个通频带内具有最大限度平坦的频率特性曲线，但有较长的过渡带，在幅度缓慢下降的过渡带上很容易造成失真，高阶的低通滤波器能
降低过渡带的上的失真，但会增加使过渡带变得陡峭，
硬件电路设计的难度；切比雪夫低通滤波器有很窄的
但是在通带内部频率响应的幅度有等波纹的过渡带，
波动，通带幅频特性不够稳定。对PPG 波形而言，希望在该波形频率范围内信号的失真小，保持完整的人体脉搏波的搏动信息，本设计选择巴特沃斯低通滤波截止频率设置为10Hz ，滤波器阶数设置为3阶。器，
利用LabVIEW 设计低通滤波器不会受到高阶滤波器电路设计困难的限制，随后的实验也证明了使用巴特沃斯低通滤波器可以获得好的PPG 波形。而肌肉抖动和呼吸等人为造成的移动，容易引起脉搏波的基线漂移，即单个脉搏波的起点和终点不在一条直线上，这低通滤波器很难排除将为脉图面积的计算带来误差，这部分干扰，可在计算的时候采用面积补偿法来消除。通过人体指端透射式PPG 信号采集实验，能够在Lab-VIEW 前面板显示出良好的PPG 信号波形，如图4所示，由于本实验中软件时间轴是从右至左更新，因此整个PPG 图与传统意义上的波形图是相反的，但是并不该影响波形质量和后续特征参数的提取。可以看到，信号波形具有明显的搏动性，具备PPG 信号的所有特点。经计算，可以得到脉搏频率约为66次/min，与传统的医学检测手段所得到的结果一致。同时可将原始数据和滤波之后的数据进行保存以便于后续对PPG 信号特征信息的提取和分析
。
可以看到，基于LabVIEW 的PPG 信号实时采集系统具有更友好的人机交互界面，操作更加简便，实时采集并显示的图像很好地保留了PPG 信号的特征信息，有助于对PPG 信号进行更进一步的分析。
4结束语
笔者应用FPGA 设计信号采集卡，完成了对PPG 信号的采集工作，利用LabVIEW 独特的图形化编程环
实现了对信号采集卡传递而来的PPG 信号数据的境，
实时读取、显示和存储。利用NELLCOR 传感器实现
红外交替采集，用DDC112实现实时高精度采红光、
用按键和TLC5620实现对光的调制，由LabVIEW 集，
设计低通滤波器去除高频干扰，以软件代替部分硬件
降低了信号失真度，从而很好地保留了电路的功能，
PPG 信号的特征信息，获得了良好的PPG 信号波形。参考文献：
［1］罗志昌，张松，杨益民．脉搏波的工程分析与临床应用
［M ］．北京：科学出版社，2006．［2］杨益民，李旭雯，罗志昌，等．应用光电容积脉搏波法研制
．中国医疗器械信息，2001，新型血流参数监护系统［J ］
7（5）：6－8．
［3］高博，J ］．魏蔚，龚敏，等．脉搏血氧饱和度检测仪的研制［
2009（23）：12－14．微计算机信息，［4］Richard C Tissue hypoxia ：How to detect ，how to correct ，how
to prevent ？［J ］．Intensive Care Medicine ，1996，22（1）．
［5］Sherebin M H ，Sherebin R Z．Frequency analysis of the pe-ripheral pulse wave detected in the finger with a photople-thysmograph ［J ］．IEEE Transactions on Biomedical Engi-1990，37（3）313－317．neering ，
［6］Hanowell L ，Eisele J H ，Downs D．Ambient light affects pulse
J ］．Anesthesiology ，1987，67（5）：864－865．oximeters ［
［7］Shafqat K ，Jones D P ，Langford R M ，et al．Filtering tech-niques for the removal of ventilator artefact in oesophageal pulse oximetry ［J ］．Medical ＆Biological Engineering ＆2006，44（8）：729－737．lomputing ，
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·16·《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）
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
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，统，
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
A Photoplethysmograph Signal Acquisition System Based on LabVIEW
ZHANG Wei，GAOBo，GONGMin
(College of Physical Science and Technology，SichuanUniversity，Chengdu610064，China)
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，whichis a virtual instrument based on graphic language．PPG signal acquisition system is used to collect，displayand store data in real time．One experiment is carried out for this research，whichgathers 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 photoplethysmograph ）信号光电容积脉搏波（PPG ，
包含着人体心脏器官和血液是人体重要的生理信号，
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
外周血管扩张，血容量最度的减弱。当心脏收缩时，
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
再经放大后即可反映出外周变化信号转换为电信号，
［1］
血管血流量随心脏搏动的变化。PPG 信号对于临
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
体外各种因素干扰，信号波形在采集过程中易受体内、
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
根据频率来得到心率上。可见，获来计算血氧饱和度、
取高质量的PPG 信号是其在临床上得到推广的重要基础。
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Lab-VIEW 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。
基于LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系统本文中应用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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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
1PPG 信号的波形特点
整个采集系统由硬件系统和软件系统构成，实现
显示和存储。图2为PPG 了对人体PPG 信号的采集、
信号实时采集系统架构图
。
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
而皮肤肌肉、动时动脉血液对光的吸收量将随之变化，
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。
②交流分量（AC ）。叠加在直流分量上，同步于
［1］
心率，主要反映动脉血中脉动部分对光的吸收。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
升支对应快个脉搏波形又可分为升支和降支两部分，
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
由脉搏波得到的心率是否合理来判断PPG
信号的置、
图2PPG 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
出射光由光电传感器接收并转为电流信号，该收之后，
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
最后对数据进行存储和实时显示，完成一次对处理，
PPG 信号的采集。
2．1硬件采集系统设计
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
图1典型的指端PPG 波形图
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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
避免了红光和红外采以实现红光和红外的交替采集，
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
开关频率均为500Hz 。FPGA 两个LED 通道的选通，
主芯片采用的是Altera 公司Cyclone 系列的芯片EP1C6，含有20个128ˑ 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
数据存储和传输等功能。设计中LED 光强由按键制、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
4路模拟电压信号输出，出DAC ，串行数字信号输入，
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
20位输出的电精度采集。DDC112是一种双端输入、
流信号ADC ，采样频率最高可达2kHz 。本文中将DDC112设置为连续工作模式，两个输入分时复用一
因而一片DDC112就可以实现红光和红外双个ADC ，
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。
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50MHz 晶振，设置红光和红外的采样率均为500Hz ，因而DDC112采样
所以FPGA 频率为1kHz 。由于设置数据按字节发送，
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。
1位终止位和8位有效根据UART 协议1位起始位、
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57600bit /s，来满足与DDC112的同步设计并实现实时采集。
2．2
《测控技术》2011年第30卷第12期
LabVIEW 应用程序
通过使用LabVIEW 独特的图形化编程语言（G 语
实现PPG 信号采集虚拟机系言）开发PC 机应用程序，
统。整个LabVIEW 程序主要由串口读取、寻找同步、数据计算、滤波显示和数据存储几部分构成。图3为LabVIEW 读取并处理PPG 信号数据的流程
。
图3LabVIEW 读取并处理的流程
LabVIEW 程序是数据流方式驱动的，节点之间的数据流控制着程序的执行次序。因此可以通过节点之间的连线来完成节点之间的数据传递，取代文本程序
使程序更加简洁高效、清晰易读。由于中变量的作用，
按键会导致信号波形出在打开硬件采集系统电源时，
现明显抖动，需要去除这一部分干扰信号。处理方法是打开电源后，让光电传感器先短时间暴露在自然光中，这时其输出的电流信号经DDC112采样后输出的20位数据全为1，按前文提到的方法由FPGA 补齐24位数据并发送至PC 机。据此可设置红光高电平数据“0F FF FF ”为红光通道同步字，设置红外高电平数据“1F FF FF ”为红外通道同步字。在数据处理之前设置
本文中设置红光同步字“0F FF 一个找同步的过程，
FF ”为同步信号。找到同步信号后，再进行后续的数
这样就可以去掉电源开启时按键的抖动干扰。据处理，
LabVIEW 提供了功能强大的虚拟仪器软件体系结构库（VISA 库），起着连接计算机与仪器的作用，以
如实现对仪器的程序控制。VISA 适用于各类仪器，
VXI 、PXI 、GPIB 、RS-232和USB 等，且与硬件接口无关，因此利用VISA 可轻易实现PC 机与硬件采集系统之间的通信。
LabVIEW 程序开始运行之后，当串口有数据来到，每次都将串口缓冲区的数据全部读取，然后再存入数据缓冲区。由于LabVIEW 将数据从串口读取出来时是16进制字符串的格式，因此需要先把字符串转换为无符号字节数组的形式，再按字节逐个存入数据缓
队列大冲区。本文中的缓冲区采用队列的方式设计，
小应当合理设置，既要保证其数据存储能力，又不浪费内存。在数据入队列的操作开始后，先延时1000ms ，
基于LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系统以保证队列中有有效数据，然后执行数据出队列操作，
，寻找同步信号“0F FF FF ”以同步实际所需的有效数就开始从队列读取红外采集通道据。待找到同步后，
的有效数据。由于从FPGA 硬件采集系统发送上来的数据是3B 作为一个采样点数据，所以一次应从队列中读取3个元素，并计算出采样点的电压值。红光通道的数据读取和计算类似于红外通道。采用队列缓冲区之后，数据的存入和处理是并发的，当队列空时，程序暂时停止数据处理；当FPGA 信号采集卡采集并传送数据的速度很快时，程序将来不及处理的数据暂时存入队列缓冲区，保证了串口数据不会出现丢失和串位。
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3
图4LabVIEW 获得的指端PPG 信号波形图
实验结果
由于PPG 信号在采集过程中会受到呼吸、肢体抖动和工频等干扰，需要对干扰信号进行排除以得到PPG 信号。人体脉搏频率约为1 4Hz ，工频干扰常因此工频干扰可由低通滤波器排除。在50Hz 左右，
最常用的低通滤波器有巴特沃斯滤波器切比雪夫滤波器。巴特沃斯滤波器在整个通频带内具有最大限度平坦的频率特性曲线，但有较长的过渡带，在幅度缓慢下降的过渡带上很容易造成失真，高阶的低通滤波器能
降低过渡带的上的失真，但会增加使过渡带变得陡峭，
硬件电路设计的难度；切比雪夫低通滤波器有很窄的
但是在通带内部频率响应的幅度有等波纹的过渡带，
波动，通带幅频特性不够稳定。对PPG 波形而言，希望在该波形频率范围内信号的失真小，保持完整的人体脉搏波的搏动信息，本设计选择巴特沃斯低通滤波截止频率设置为10Hz ，滤波器阶数设置为3阶。器，
利用LabVIEW 设计低通滤波器不会受到高阶滤波器电路设计困难的限制，随后的实验也证明了使用巴特沃斯低通滤波器可以获得好的PPG 波形。而肌肉抖动和呼吸等人为造成的移动，容易引起脉搏波的基线漂移，即单个脉搏波的起点和终点不在一条直线上，这低通滤波器很难排除将为脉图面积的计算带来误差，这部分干扰，可在计算的时候采用面积补偿法来消除。通过人体指端透射式PPG 信号采集实验，能够在Lab-VIEW 前面板显示出良好的PPG 信号波形，如图4所示，由于本实验中软件时间轴是从右至左更新，因此整个PPG 图与传统意义上的波形图是相反的，但是并不该影响波形质量和后续特征参数的提取。可以看到，信号波形具有明显的搏动性，具备PPG 信号的所有特点。经计算，可以得到脉搏频率约为66次/min，与传统的医学检测手段所得到的结果一致。同时可将原始数据和滤波之后的数据进行保存以便于后续对PPG 信号特征信息的提取和分析
。
可以看到，基于LabVIEW 的PPG 信号实时采集系统具有更友好的人机交互界面，操作更加简便，实时采集并显示的图像很好地保留了PPG 信号的特征信息，有助于对PPG 信号进行更进一步的分析。
4结束语
笔者应用FPGA 设计信号采集卡，完成了对PPG 信号的采集工作，利用LabVIEW 独特的图形化编程环
实现了对信号采集卡传递而来的PPG 信号数据的境，
实时读取、显示和存储。利用NELLCOR 传感器实现
红外交替采集，用DDC112实现实时高精度采红光、
用按键和TLC5620实现对光的调制，由LabVIEW 集，
设计低通滤波器去除高频干扰，以软件代替部分硬件
降低了信号失真度，从而很好地保留了电路的功能，
PPG 信号的特征信息，获得了良好的PPG 信号波形。参考文献：
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