工作。本设计采用直接数字合成技术（DDS）实现波形发生功能，具有控制精度高，控制参数多样，便于更新数据以及功能丰富等优点。
【关键词】电生理信号 DDS 信号调理 MIT-BIH
1 引言
随着科学技术的发展和物质生活水平的提高，人们开始越来越关注自己的身体健康状况。因此出现了很多性能优越的小型便携式电生理信号采集设备，然而检测设备的落后与缺乏，成为了一个突出的问题。
本文设计一种高精度、多参数、便携式、高性能、低功耗的生理电信号仿真器，其可以通过人机交互界面设置仿真器输出波形参数，模拟输出人体生理信号的波形信号。选用基于Cortex-M3内核的STM32作为微处理器，FPGA对生理电信号进行存储、传输、控制，通过高速DA数模转换器输出生理电信号数字波形。为了去除高速DA中带有的高频信号分量，在后级放置低通滤波器，以及设计功率放大电路，增大信号的驱动负载能力。而且为了能更好的进行人机交互，还要由STM32控制TFT液晶屏和按键读取、输入，来完成人与电生理信号仿真器的信息交互。其系统总体框图如图1所示。
2 DDS的基本理论
一个典型的DDS（Direct Digital Synthesizer）系统由相位累加器、幅度变换以及DA转换电路所组成。在某一时刻，相位累加器产生一个特定的相位角度，通过相位角度-幅度变换，查找到波形表中幅度值，然后将幅值信息传给高速DAC，来重现此时刻的模拟电压值，这一循环即完成了DDS工作的一个步进操作。在系统时钟的驱动下，DDS电路将连续不断的输出模拟波形值。DDS结构示意图如图2所示。
3 系统设计
3.1 波形发生电路
波形发生电路对生理电信号进行存储、传输与控制，在FPGA内部设计直接数字合成DDS电路，数据在微处理器STM32与FPGA中，通过FSMC协议进行互相传输，实现对生理电信号波形、频率的控制，再将数据发送给外部高速数模转换器DAC，将数字量转换成模拟量，使其仿真输出所需生理电信号。
频率控制逻辑部分主要由一个的相位累加器和一个D触发器所组成的累加逻辑。如图3所示，在每个时钟频率100MHz的驱动下，相位累加器将累加频率控制字一次，直到溢出最大位数后保留低48位数据，继续累加计数。相位控制逻辑部分使用了一个16位的加法器，将48位频率累加值的高16位与相位控制字相加。
本系统选用AD9742作为DDS电路中的高速DAC模块，在IOUTA、IOUTB电流输出口分别接入50欧姆负载，使A、B通道电流差分信号转变为电压差分信号。根据其数据手册最终推导出其差分电压，式（1）表示A、B通道高速DAC差分电压值。
3.2 信号调理电路
信号调理电路主要保证了，生理电信号仿真器以高质量的模拟波形输出信号。对一些引入噪声的环节进行滤波优化处理，添加了幅度、直流偏移控制电路和功率放大电路等。
在信号调理电路中，选用芯片LMH6643使DAC输出的差分电压信号转换为单端中心在零点的电压信号。其差分电路如图4所示，放大倍数关系如式2所示。
4 测试结果
4.1 人机界面交互测试
通道A中存储一个正弦波与标准ECG信号。用户可通过按键设置其波形的频率、幅度、直流偏移量等参数，并在其交互界面实时显示出来，其通道A界面如图5所示。
通道B中存储了5个基于MIT-BIH数据库中提取的5种典型生理心电波形。这5种数据库信号的采样率在液晶屏上都有所显示，通道B界面如图6所示。
4.2 波形模拟输出测试
设置通道A，选择ECG信号，频率1.33Hz，幅度5mVpp，直流偏移为0V时，示波器所得波形截图如图7所示。
设置通道B，选择ECG2，采样率为128Hz，幅度为5mVpp，真实波形输出时，示波器所得波形截图如图8所示。
综上可看出，本系统很好的实现了电生理信号仿真器的功能。
5 结束语
本文首先介绍了生理电信号仿真器的研究背景和现状，深入探讨了它作为一种多参数模拟仿真器的功能及用途。针对目前此类产品所具有的缺陷，分析问题并解决问题，设计出更为实用，功能更为强大的生理电信号仿真器。
参考文献
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作者单位
三江学院 江苏省南京市 210012