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基于FPGA和面阵CCD摄像头的动态光谱数据采集与预处理

作　者: 李智
导　师: 李刚
学　校: 天津大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 血液成分无创检测动态光谱法视频信号采集信号积分法 FPGA NiosⅡ 快速傅立叶变换
分类号: TH773
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 410次
引　用: 3次
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内容摘要

人体血液成份的无创检测是生物医学领域尚未攻克的前沿课题之一,动态光谱法在理论上克服了其它检测方法难以逾越的障碍——个体差异和测量条件对检测结果的影响。实现动态光谱检测,其关键在于采集多波长的光电容积脉搏波信号,并对其进行处理。针对动态光谱检测中信号微弱、信噪比低、处理数据量大的特点,本文设计了基于FPGA和面阵CCD摄像头的动态光谱数据采集与预处理系统,提高检测精度,采集出满足动态光谱信号提取要求的光电脉搏波;并对动态光谱频域提取法的核心算法FFT的FPGA实现进行研究。课题提出用高灵敏度的面阵CCD摄像头替代常规光栅光谱仪中的光电接收器,实现对多波长的光电容积脉搏波的检测。结合面阵CCD的二维图像特点,采用信号累加法去除噪声,提高信号的信噪比。创新性的提出一种不同于以往的信号累加方法——将处于同一行的视频信号在采样过程中直接累加,然后再进行传输和存储。不同于帧累加和异行累加,这种同行累加方式不但大大的提高了信号的信噪比,同时减小了数据的传输速度和传输量,降低了对存储器容量的要求,改善了动态光谱信号检测系统的性能。针对面阵CCD摄像头输出的复合视频信号的特点,设计视频信号解调电路,得到高速、高精度的数字视频信号和准确的视频同步信号,用于后续的视频信号采集与处理。根据动态光谱信号检测和视频信号采集的要求,选择可编程逻辑器件FPGA作为硬件平台,设计并实现了基于FPGA和面阵CCD摄像头的光电脉搏波采集与预处理系统。该系统实现了视频信号的精确定位,通过光谱信号的高速同行累加,实现了光电脉搏波信号的高精度检测。系统采用基于FPGA的NiosⅡ嵌入式处理器系统,通过对其应用程序的开发,可靠的实现了数据的采集、传输和存储,提高了系统的集成度,降低了开发成本。为实现动态光谱信号的频域提取,研究了基于FPGA的FFT实现方案,对各关键模块进行设计,为动态光谱信号的进一步处理打下良好的基础。最后,通过实验证明了系统数据采集的正确性和信号预处理的可行性,得到了符合动态光谱信号提取要求的脉搏波信号。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-12
  1.1 课题研究背景  8-9
  1.2 课题的主要工作  9-10
  1.3 论文的内容和结构  10-12
第二章动态光谱原理与课题总体设计  12-27
  2.1 课题理论基础  12-14
    2.1.1 动态光谱原理  12-13
    2.1.2 动态光谱频域提取法  13-14
  2.2 课题总体设计  14-16
  2.3 面阵CCD摄像头  16-19
    2.3.1 面阵CCD与线阵CCD的比较  16-17
    2.3.2 CCD摄像头的选择与参数调整  17-19
  2.4 可编程逻辑器件FPGA  19-26
    2.4.1 选择FPGA的原因  19-20
    2.4.2 FPGA及其开发环境  20-22
    2.4.3 基于FPGA的SOPC技术  22-23
    2.4.4 NiosⅡ嵌入式处理器  23-25
    2.4.5 FPGA开发板  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第三章视频信号解调电路  27-39
  3.1 视频信号解调电路的设计  27-30
    3.1.1 视频信号的结构  27-29
    3.1.2 视频信号的箝位  29-30
    3.1.3 视频信号的采样  30
  3.2 视频信号解调电路的实现  30-38
    3.2.1 直流电压变换器  31
    3.2.2 视频信号分配放大器  31-32
    3.2.3 视频同步信号分离器  32-33
    3.2.4 CCD信号前端处理器  33-37
    3.2.5 电路原理图  37-38
  3.3 本章小结  38-39
第四章基于视频信号的光电脉搏波采集  39-56
  4.1 去噪声方案  39-42
    4.1.1 系统噪声分析  39-40
    4.1.2 同行累加的原理与实现  40-42
  4.2 脉搏波采集系统的设计  42-43
  4.3 脉搏波采集系统的实现  43-54
    4.3.1 AD9844 接口模块  43-44
    4.3.2 视频信号定位模块  44-48
    4.3.3 叠加模块  48-49
    4.3.4 时钟模块  49-51
    4.3.5 SOPC模块  51-52
    4.3.6 NiosII应用程序设计  52-54
  4.4 系统性能分析  54-55
  4.5 本章小结  55-56
第五章基于FPGA的FFT算法研究  56-63
  5.1 FFT的FPGA实现方案  56-57
  5.2 蝶形运算单元  57-59
  5.3 旋转因子的寻址控制  59-60
  5.4 数据的寻址控制  60-61
  5.5 寻址控制单元  61-62
  5.6 本章小结  62-63
第六章系统评估实验  63-68
  6.1 可行性证明实验  63-64
  6.2 脉搏波检测实验  64-67
  6.3 分析与讨论  67-68
第七章总结与展望  68-70
参考文献  70-73
发表论文和参加科研情况说明  73-74
致谢  74

基于FPGA和面阵CCD摄像头的动态光谱数据采集与预处理

内容摘要

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