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基于FPGA的无创伤血液成分光谱采集系统设计
  • ISSN号:1000-0593
  • 期刊名称:《光谱学与光谱分析》
  • 分类:O657.3[理学—分析化学;理学—化学]
  • 作者机构:[1]中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春130033, [2]中国科学院大学,北京100049
  • 相关基金:国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA022602),国家自然科学基金青年基金项目(61308067,61475155),吉林省科技发展计划项目(20140204078GX)和应用光学国家重点实验室自主基金项目(Y2Q03FQZ01)资助
中文摘要:

血液成分检测是健康诊断的重要手段,常规的血液成分检测采用抽血的方法,不仅给病人带来痛苦,还存在交叉感染的风险。近红外光谱技术是无创伤血液成分检测中的研究热点。为满足近红外无创伤血液成分检测仪器对其光谱数据采集系统提出的高速、多通道和高信噪比的要求,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速、多通道光谱数据采集系统。该系统采用 Altera 公司 Cyclone IV 系列的 FPGA 芯片作为其微控制器,控制两片8通道的A/D芯片并行采集16通道的人体血液脉搏波光谱信号,采集到的数据在 FPGA的控制下首先缓存在 FPGA内部建立的乒乓 RAM中,然后转存至外部 SRAM芯片中,最后经USB总线传输至计算机。实验结果表明,在19531 Hz 的采样频率下,该系统能够高速并行采集16个通道的信号,重复性信噪比可达40000∶1。此外,在该采样率下,系统可以采集到高信噪比的人体血液脉搏波信号,采集速度能够达到每秒305幅光谱图。该系统满足近红外无创伤血液成分检测仪器对于光谱数据采集系统的基本要求。该研究的主要创新点为将 FPGA应用于近红外无创伤血液成分检测仪器的数据采集系统中,FPGA能够同时控制两片 AD芯片进行16路人体血液脉搏波数据的高速并行采集,解决了单片机作为微控制器时无法实现多通道大量数据高速采集和储存的问题,使仪器的采集速度大大加快;同时使用FP-GA内部资源建立乒乓RAM进行数据的缓冲,实现了不同位数数据从AD芯片到SRAM芯片的无缝连续传输。

英文摘要:

Blood constituent examination is an important means of health diagnosis.For blood constituent examination,we usu-ally adopt the method of drawing blood,which bring pain and the risk of cross infection to the patient.Near infrared spectrum spectroscopy (NIRS)is a research hotspot in noninvasive blood constituent examination.The spectral data acquisition system of existing instruments is using a Single Chip Microcomputer (SCM)as its microcontroller.The spectral data acquisition system cannot realize the high speed multi-channel acquisition and storage of large amounts of data because of the SCM itself has certain deficiency.So a high speed multi-channel spectral data acquisition system based on Field Programmable Gate Array (FPGA)was designed in this paper in order to realize the system of high speed,multi-channel and high signal-to-noise ratio (SNR)in the area of noninvasive blood constituent examination by near infrared spectroscopy.An Altera Cyclone IV series FPGA was used as the microcontroller in this spectral data acquisition system,which simultaneously controlled two pieces of eight channels AD conver-sion chip acquiring 1 6 channels blood pulse wave signal parallel.Under the control of FPGA,the data was cached in FPGA inter-nal ping-pong RAM first,after that it was transferred to an SRAM chip,finally it was sent to the computer via the USB port. Experiment result shows that the spectral data acquisition system can collect 1 6 channels signal parallel and fast under the sam-pling frequency of 19 531 Hz and the repetitive signal-to-noise ratio is over 40 000∶1.The system can collect 305 spectrograms per second,more over it can get high SNR human body blood pulse wave signal under the same circumstances.The spectral data acquisition system satisfies the basic requirements of the noninvasive blood constituent examination instrument by NIRS and it can make the instrument collect the human body blood pulse wave data at a high speed.The main innovation point of this article is applying FPGA to th

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期刊信息
  • 《光谱学与光谱分析》
  • 中国科技核心期刊
  • 主管单位:中国科学技术协会
  • 主办单位:中国光学学会
  • 主编:高松
  • 地址:北京海淀区魏公村学院南路76号
  • 邮编:100081
  • 邮箱:chngpxygpfx@vip.sina.com
  • 电话:010-62181070
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-0593
  • 国内统一刊号:ISSN:11-2200/O4
  • 邮发代号:82-68
  • 获奖情况:
  • 1992年北京出版局编辑质量奖,1996年中国科协优秀科技期刊奖,1997-2000获中国科协择优支持基础性高科技学术期刊奖
  • 国内外数据库收录:
  • 俄罗斯文摘杂志,美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国工程索引,美国生物医学检索系统,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),英国英国皇家化学学会文摘,中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:40642