基于FPGA的全数字胎心仪立项申请书.docx
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基于FPGA的全数字胎心仪立项申请书
云南大学大学生科技创新创业行动计划 编号
云南大学研究生科研课题资助项目
立项申报书
（一般项目）
项 目 名 称：
基于软件无线电及FPGA的数字
式胎心仪关键技的研究
申 请 人：
邓竑杰
所在（院）系：
信息学院
申请人电话：
指 导 教 师：
何乐生
填 表 日 期：
2012年12月28日
云南大学学生科技创新与创业计划
领导小组办公室 制
2009年9月
填表说明
1、写《申请书》前，请先认真阅读《云南大学研究生科研课题资助项目管理办法（试行）》和相关通知。
2、申请书各项内容，必须实事求是，表达要明确严谨，并要求打印或用钢笔填写。
页面不够时可加页，不得破坏后面表格的完整和美观。
对于填写不合要求、内容含糊不清、字迹潦草者，不予受理。
3、上报的《申请书》一式二份（含一份原件），项目获准后《申请书》由学校签署意见并保存一份，另一份返回院系存档。
4、封面编号由领导小组办公室统一编写。
5、该《申请书》为A4 纸，各单位或个人可以从云南大学学生科创中心网、云大团学资讯网自行下载或翻印，但格式、内容、大小应与原件相同。
一、项目申请人情况
项目
负
责
人
姓 名
邓竑杰
性别
男
民族
汉
出生日期
1989年7月9日
所在（院）系
信息学院
专业、班级
电子与通信工程
项目名称
基于软件无线电及FPGA的数字式胎心仪关键技的研究
通讯地址
昆明市翠湖北路云南大学信息学院
电话
项目组其他成员（不包括申请人和指导教师）
姓 名
性别
年级
所在院系
专 业
分 工
签 名
张丽娜
女
2012
信息学院
电子与通信工程
AD采样
蒋哲
女
2011
信息学院
信号与信息处理
FPGA数字处理部分
王光铭
男
2012
信息学院
电子与通信工程
ARM应用部分
项目组成员参加科研的经历
自何年月
至何年月
参加的项目
担任的工作
2012年
1月
至今
参与国家基金项目“先天性心脏病心音库构建与心音特征提取方法研究”
主要承担特征提取和频谱分析工作
2012年1月
2014年1月
参与云南教育厅科学研究基金项目“基于FPGA的双核FFT处理器的研究与设计”
主要承担多核协作方案选取及完善处理单位等工作。
、
申请承诺
我承诺对本人填写的各项内容的真实性负责，保证没有知识产权争议。
如获准立项，我承诺以本表为有约束力的协议，遵守《云南大学本科学生科研立项管理实施办法》的有关规定，按计划认真开展研究工作，取得预期研究成果，按时结项。
申请人签字：
年 月 日
二、研究项目简介
1、选题意义：
项目选题的背景介绍，理论和现实意义
胎心是胎儿在子宫内心脏跳动的声音，节奏整齐。
通过胎心可以了解胎儿的健康状况，一般怀孕7周左右可以通过B超看见胎儿的心脏跳动，12周左右便可以通过胎音仪检测到胎儿的心脏跳动。
在胎儿出生前胎音是胎儿与外界联系的桥梁，也是胎儿健康的重要指标。
。
对于一般孕妇，进行胎心自我监测，可以随时了解到胎儿的健康情况，以及预防可能的意外。
传统的胎心仪是基于模拟电路设计的。
传统的胎心仪利用震荡电路产生一个信号经过滤波后产生一个接近正弦波的信号，超声波遇到心脏反射后，传统的胎心仪直接对模拟信号进行解调滤波，再将所需的信号转换成电压信号以得到胎心的频率。
所得到的电压信号其实就是心跳的加速度。
纯模拟电路弊端较多，比如季节更替和地域的同，环境温度有很大改变时，测量的精度都有所改变。
不能很好的保证的胎心仪的精度。
由于同一种元器件的参数都不可能完全相同，每个电路都需要调试，给大批量生产中带来了不便，难度很高。
基于FPGA的全数字胎心仪是采用软件无线电技术的思路来提高传统胎心仪的稳定性，同时也提高了频率的分辨率和灵敏度。
是一种利用数字技术代替传统的基于模拟下变频和压频变换技术的胎心仪。
基于FPGA的数字式胎心仪把FPGA运用到了医疗仪器领域。
是一种较新的方法，符合当今的潮流。
运用FPGA和ARM相结合的方法完成。
具体实现思路和原理在以下内容介绍。
2、研究内容：
本项目研究的基本思路和主要观点。
基于FPGA的数字胎心仪主要使用的是软件无线电的技术。
传统的胎心仪基本都是针对模拟信号进行处理，然而与传统信号处理方式不同。
基于FPGA的数字胎心仪主要使用的是软件无线电的技术方法来设计完成。
全数字的方法不需要每次都调试电路。
模拟电路则需要调试，很多元器件即使是同一批生产都可能参数也不一，比如电容。
而全数字的各种参数值就是固定的。
数字胎心仪的物理原理是胎心仪发送一个超声波，分为2Mhz和8Mhz。
针对身体瘦弱的人使用8Mhz，较胖的人则使用2Mhz的超声波，2Mhz的波波长较长，穿透力强。
效果更加好。
超声波遇到胎儿心脏后反弹，因为心脏的跳动发生了多普勒效应。
发射的超声波的频率远远高于心脏的频率，因此相对发射信号发射回来的信号只是发生了很小的频移。
接收的信号的频移大概是（V1/V）*F（V1是心脏速度，心脏跳动时心脏做的是变速运动）。
数字胎心仪在处理数字信号中使用了数字下变频的方法来获得所需的信号。
图1数字下变频
由于接收的信号真正有用的信息相对于发射信号的频率只是发生了很小的那部分频移，不便于获得信息。
我们需要将频率信息搬移到低频区域，使低频信息更加明显。
我们采用数字下变频，对接收信号进行20Mhz的AD采样，这样数据在高速情况下进入FPGA中进行处理，利用预先存储在FPGA中的频率和发射信号一样的正玄波与采样信号相乘，使信号发射频移，这样所需要便被移到了低频区。
再用过一个低通数字滤波器便可以得到所需的信号。
由于此时的数据处于一个高速状态，无法直接送入低通器滤波，因此必须先通过一个降速滤波器。
最后所需要的信号是一个频率很低的信号，在降速取样的过程中需要的信息不会有损失。
再通过一个IIR低通滤波器。
便可以得到所需要的信号。
图2频率的搬移图3低通数字滤波
降速抽样滤波后的数字信号是一个速率很低的数字信号，ARM便可以对这部分信号进行谱分析，因为只需要得到信号的频率信息。
可以利用信号的自相关系，利用信号的自相关函数来求出胎心频率。
具体算法还研究中。
FPGA是一种高成本高功耗的集成芯片。
FPGA的程序是保持在外部的存储器中，无法进行加密。
因此在低速率的数字信号可以利用ARM进行处理，ARM的功耗远远低于FPGA，并且有着更低的成本。
并可以对程序进行加密。
但是ARM无法处理太高速率的信号，只有在利用FPGA下变频后才能对信号进行降速滤波。
FPGA和ARM的结合保证了整个系统可以进行全数字的处理，也降低了整个系统的功耗与成本。
ARM也弥补了FPGA不能加密的缺点。
相对于纯模拟电路，基于FPGA的数字胎心仪更加容易在硬件方面实现，与模拟电路不同，数字电路不需要在每个电路中进行调试，在实际批量生产中有很大的优势。
3、研究方式和进度安排：
拟采用的研究方法、技术路线、实验方案及进度初步安排。
基于FPGA的全数字胎心仪使用的软件无线电技术。
整个信号处理不再是对模拟信号进行处理，而是完全的数字信号，更高的频率，更高的准确性。
FGPA的数字处理部分运用的是Altera公司的FPGA，各模块是在QuartusII平台上利用Verilog硬件语言完成，仿真是在Altera公式提供的modelsim和niosII上进行，最后在硬件平台DE2平台上测试。
发射电路部分发射正弦波，使用了直接数字式频率合成器（DDS），与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点。
市场有很多现成的DDS芯片，而且大多都内置了D/A转换器，只需要通过FPGA输出控制字就可以得到所需的正玄波。
AD采样主要通过暂定使用AD9200芯片进行，这是一种采用多级流水线架构的AD转换芯片，有着成本较低，精确度高等特点，集成度高。
对接收的信号进行20M的采样速率。
FPGA是当今集成度最高的集成电路的一种，使用FPGA来实现数字电路可以大大的缩短设计时间，减少PCB的面积，提高系统的稳定性。
整个信号处理部分通过Altera公司的FPGA芯片进行数字信号处理，大大节省了开发时间和PCB的面积，提高了系统的稳定性。
下变频中产生的正交信号使用预先存储在FPGA中的信号与采样信号相乘，达到频率的搬移。
使所需要的频率信号搬移到低频区域。
实现下变频。
此时由于信号的速率很高，必须通过一个积分梳状滤波器（CIC）使数据速度降下来才能进入低通滤波器。
此时的信号速率比数字信号所含信息的频率大很多，降速后所需信息依然可以很好保存。
再通过一个低通滤波。
滤波器使用的是IIR低通滤器，它与常用的FIR低通滤波器相比抽头更少，更加节约FPGA资源，但只是损失了信号的相频信息。
IIR低通滤波器与CIC滤波器都用Verilog硬件语言实现。
在数字信号频率较低时，使用嵌入式系统对数据进行处理，减小了系统的功耗和成本，也可对算法进行加密，弥补了FPGA不能加密的不足。
经过FPGA获得的信号将通过Cortex-M3系列处理最后得到胎心。
基于FPGA的全数字胎心仪将安模块进行设计，分块进行测试，最后进行整体实验。
现已完成AD采样和DDS发射模块的设计，制板测试。
FPGA部分将使用Altera的FPGA，在quartus上利用Verilog语言实现功能，先进行功能测试，再进行时序测试，利用modelsim和nios2进行软件仿真测试成功后，最后在DE2实验板上进行测试，测试通过后。
将所有的模块在一起实验测试，成功后制作最后的胎心仪的板子完成实物制作。
4、预期价值和成果形式：
研究的理论创新程度或实际应用价值，结项提交的成果形式。
基于FPGA的主要把软件无线电技术用到了医疗设备上，使胎心仪完全数字化，符合当今潮流。
FPGA可以在高频段处理数据，并且精确度高，但是FPGA功耗高，价额高。
当数据速率降下来以后，便可以使用ARM来进行处理。
ARM的功率和价格都远远低于FPGA的价格和功耗。
同时ARM的内部存储器可进行加密，也弥补了FPGA不可加密的缺点。
全数字的系统相比模拟系统不需要过多的调试，在实际大批量生产时，也有很大的优势。
现在一般的传统的胎心仪只有在怀孕12周左右才能听见胎心，基于FPGA的数字式胎心仪，可以将时间提前2周左右，在十周左右便可听见胎心。
使胎儿的健康状况能更早的被检测到，胎心仪基于FPGA的使用，数字化中，拥有了更高的稳定性频率分辨率和灵敏度。
结果更加的准确。
结项提交结果将会以论文、专利和世界产品。
实际产品将会和浙江巴贝公司合作共同推出。
5、研究工作已有基础条件和参加者研究能力和时间保证。
AD采样实验板已制作完成，经过反正实验被制完成。
如下图：
图3AD采样板
DDS模块的实验板也已经制作完成，实验板在制作过程中。
参加研究者已掌握基于FPGA胎心仪的基本原理，熟练掌握QuartusII平台使用方法以及Verilog硬件语言。
熟悉软件无线电技术。
熟悉数字信号处理中CIC、FIR、IIR等滤波器的原理和实现方法，等示波器，万能表等一系列的实验工具。
所有工作在2013年10月前完成并做出实物。
6、主要参考文献。
•张俊，胡修林，杨灵，基于FPGA实现高速数字下变频[J].电子技术应用，2005
•杨灵，胡黎晖，张蕴玉，基于高效抽取滤波器的下变频[J].华中科技大学学报，20066
•李玉柏，彭启综，软件数字下变频的实现与算法分析[J]通信学报200010
•赵林军，基于CORDIC算法的DDC实现[J].微计算机信息，20087
•邓耀华，吴黎明，张力锴，李叶华，基于FPGA的双DDS任意波发生器设计与杂散噪声抑制方法[J]仪器仪表学报，200911
•中华人民共和国国家标准，医用超声诊断设备声输出公布要求（GB16846-1997））））1997
•中华人民共和国国家标准，声学在0.5～15MHz频率范围内的超声场特性及其测量水听器法（GB16540----1996）.1997
•杨小牛，楼才意。
软件无线电原理与应用[M].北京：
电子工业出本社，2005.6
注意：
本表不够时可加页，但不得破坏后面表格的完整性。
三、指导教师简况及对申请人和科研项目的评价
姓 名
何乐生
性别
男
民族
白
政治面貌
党员
年龄
35
最终学历
博士
职务
教师
职称
副教授
专业
测试计量技术与仪器专业
所在（院）系
云南大学信息学院信息与电子科学
研究方向
基于ARMDSPFPGA的嵌入式喜用开发微弱信号采集和处理理论个方法研究
通讯地址
昆明市翠湖北路2号云南大学信息学院
邮编
电话
电子信箱（e_mail）
Hesheng_he@
当前从事的教学、研究工作简介
对申请人的专业基础、工作态度、学风及研究能力的评价
对申请课题的价值、研究方案的可行性、工作基础等方面的评价
指导老师（签名）：
年 月 日
四、申请资助金额和经费预算
项目经费
资金总额及来源
共 计
申请学校立项资助
学院配套资金
自筹或其他经费
5100元
4000元
0元
1100元
预算支出科目
支出金额
预算根据及理由
1、测试费、分析费
300元
实验室配置不是很全
2、图书、资料费
300元
已购买书100元，还需其他资料
3、小型会议
500元
需要邀请一些专家进行交流
4、交通费
500元
购买实验材料，邮寄各种材料。
市场调查
5、实验材料费
3500元
实验板，各种芯片和原材料以及制板。
6、其他
100元
包括资料打印
五、审核意见
申请人所在学院审核意见：
（请对本《申请书》中各项内容的真实性、经费预算的合理性及本学院所能提供的支持条件等签署具体意见）
（签章）：
年 月 日
云南大学学生科技创新与创业计划专家委员会意见：
（请就是否同意立项及理由、具体资助额度签署具体意见）
评审人（签名）：
年 月 日
学校意见
□同意 □不同意 该项目为云南大学第四届本科生科研资助立项项目，资助金额 元。
云南大学学生科技创新与创业计划
领导小组办公室（校团委代章）
年 月 日
升级会员 