楊成禹，王琦，畢偉權(quán)，肖作江

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.吉林東光精密機械廠，長春 130013）

青光眼是我國當(dāng)前重要致盲眼病之一，眼壓升高是其主要致病機理。眼科界倡導(dǎo)以采用空氣脈沖檢測法的非接觸式眼壓檢測取代接觸式眼壓檢測［1］，來避免產(chǎn)生眼部感染、減少患者痛苦［2］。在非接觸式眼壓檢測系統(tǒng)中，角膜變形信號峰值時刻檢測在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，決定系統(tǒng)最終的測量精度以及時間分辨率［3］。目前普遍采用由比較器、DAC以及ARM組成的角膜峰值時刻檢測系統(tǒng)，由DAC與輸入信號經(jīng)比較器進行比較，主控芯片負責(zé)DAC和比較器的電壓輸出控制以及峰值時刻判定，但由于程序順序運行且器件自身具有一定延遲性產(chǎn)生延時，導(dǎo)致獲得的峰值時刻不夠精準。只有獲得兩次精準的峰值時刻，才能準確得到對應(yīng)時刻下來自壓力傳感器的眼壓壓力信號，最終完成眼壓檢測。可見設(shè)計一套高精度的角膜變形信號尋峰系統(tǒng)對非接觸式眼壓檢測技術(shù)具有重要意義。FPGA具有并行處理、邏輯資源豐富等優(yōu)勢［4］，可減少延時誤差且不需比較器及DAC電路部分便可完成峰值檢測功能，可減少硬件電路的設(shè)計。因此，提出一種基于FPGA的非接觸式角膜變形信號峰值時刻檢測系統(tǒng)，選用Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE15F17C8N作為主控制器，通過FPGA狀態(tài)機來實現(xiàn)閾值比較尋峰算法，達到了檢測角膜變形信號峰值以及確定峰值精準發(fā)生時刻的效果。

1 檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

檢測系統(tǒng)主要由FPGA主控器、紅外發(fā)射器、紅外探測器、壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器以及SDRAM存儲器構(gòu)成。檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，紅外探測器放在紅外發(fā)射器相對測試軸線的對稱位置上，由氣體脈沖噴嘴噴出的氣體脈沖作用于角膜表面使角膜產(chǎn)生形變，發(fā)射器發(fā)出的光經(jīng)不同形態(tài)下的角膜反射后，由探測器接收反射光信號并進行光電轉(zhuǎn)換，得到角膜變形信號。

圖1 檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

當(dāng)角膜被壓至平時，探測器輸出角膜變形峰值信號，此時壓力傳感器測得氣體脈沖將眼膜壓平的眼壓壓力，即為眼內(nèi)壓值。對角膜變形信號與壓力傳感器輸出的眼壓壓力信號進行信號調(diào)理后，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器，將兩路轉(zhuǎn)換后的信號送入FPGA主控器，由FPGA進行角膜變形信號的尋峰處理以及精準峰值時刻的確定，并由SDRAM完成相關(guān)數(shù)據(jù)存儲。

對基于FPGA非接觸式角膜變形信號峰值時刻系統(tǒng)進行功能模塊化的系統(tǒng)設(shè)計，圖2為峰值時刻檢測原理，如圖2所示，系統(tǒng)主要分為角膜變形信號檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA主控模塊以及SDRAM存儲模塊。

圖2 峰值時刻檢測原理

其中，F(xiàn)PGA主控模塊采用了自頂向下的方法，依據(jù)功能劃分為時鐘分頻模塊、FIFO緩存模塊、峰值檢測模塊以及ADC時序控制模塊幾部分。利用Verilog HDL語言對相關(guān)模塊進行設(shè)計，采用Quartus II開發(fā)環(huán)境對各個模塊集成的頂層設(shè)計文件進行綜合，實現(xiàn)對信號的采集和處理等操作。

2 峰值時刻檢測系統(tǒng)模塊化設(shè)計

2.1 角膜變形信號檢測模塊

角膜變形信號檢測模塊由紅外發(fā)射器、紅外探測器和信號調(diào)理電路幾部分組成。由于1550nm波長位于人眼安全激光波段且處于大氣傳輸窗口是作為檢測眼部信息的理想波長，故前端紅外發(fā)射器和紅外探測器分別采用SEALAND公司發(fā)射波長為1550nm的XL503320IRC以及接收波長范圍在800-1750nm的XL2835PD13。前置運放采用ADI公司20MHZ軌到軌高輸出電流放大器AD8616。角膜變形信號檢測電路如圖3所示，紅外探測器與運放的連接方法屬于電流放大型，兩個輸入端同極性相連，電阻R1作為反饋電阻。XL2835PD13的光電流Isc為22μA，R1=100kΩ，輸出電壓可滿足A/D轉(zhuǎn)換器模擬量輸入范圍。紅外探測器工作在兩端無偏壓的光電池狀態(tài)，此狀態(tài)下紅外探測器沒有反向偏置電壓，故暗電流非常小減小了輸出噪聲［5］。

圖3 角膜變形信號檢測電路

當(dāng)氣體脈沖噴嘴向角膜噴射氣體時，紅外探測器接收到的光信號強弱隨角膜狀態(tài)的改變而發(fā)生變化，圖4為角膜變形過程。

圖4 角膜變形過程

其中圖4a）為初始狀態(tài)角膜，此時來自發(fā)射器的基本準直光束在被彎曲的角膜表面反射后發(fā)散，使紅外探測器接收到的信號相對較弱。隨著空氣脈沖的推進，角膜產(chǎn)生圖4b）的第一壓平狀態(tài)，光束由曲率半徑無限大的角膜表面反射后，使得更多的光到達紅外探測器形成峰值。空氣脈沖因慣性繼續(xù)推進，角膜會向內(nèi)凹陷形成圖4c）狀態(tài)，紅外探測器接收到的光信號減弱。隨著空氣脈沖的消退，角膜恢復(fù)至圖4d）的第二壓平狀態(tài)產(chǎn)生第二次峰值信號，最終恢復(fù)圖4e）的角膜自然狀態(tài)。故只有當(dāng)角膜處于兩次壓平狀態(tài)時，探測器輸出電壓值最大的峰值信號。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADI公司12位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器AD7928，最高采樣速率為1Msps。AD7928轉(zhuǎn)換模塊如圖5所示，先選通VIN0通道對角膜變形信號進行采集，再選通VIN1通道采集來自壓力傳感器的眼壓壓力信號。轉(zhuǎn)換結(jié)果通過DOUT串行輸出，采用標準SPI協(xié)議。系統(tǒng)采用12位ADC可達到1mv的測量精度，實現(xiàn)高精度角膜變形信號的轉(zhuǎn)換。

圖5 AD7928轉(zhuǎn)換模塊

2.3 FPGA主控模塊

2.3.1 時鐘分頻模塊

為確保ADC所采集到的數(shù)據(jù)能夠被FPGA實時接收并處理，F(xiàn)PGA的各功能模塊時鐘頻率和AD7928 1MHz的采樣率應(yīng)保持一致［6］。本模塊設(shè)計了一個由時鐘脈沖上升沿觸發(fā)的50分頻計數(shù)器，通過控制計數(shù)器循環(huán)計數(shù)來實現(xiàn)分頻，為FPGA內(nèi)部模塊提供了1MHz的工作時鐘；其次，由于AD7928需要20MHz的輸入時鐘源SCLK，通過調(diào)用FPGA內(nèi)部IP核PLL對50MHZ時鐘進行2倍頻，再經(jīng)5分頻處理得到20MHz時鐘為ADC提供訪問器件數(shù)據(jù)所需的串行時鐘以及轉(zhuǎn)換過程的時鐘源。

2.3.2 ADC時序控制模塊

由FPGA對AD7928進行時序控制，協(xié)調(diào)FPGA控制A/D采樣時序［7］，AD7928工作時序如圖6所示，A/D在通電后，首先FPGA需對AD7928的控制寄存器進行操作，完成輸入通道選擇、輸入電壓范圍設(shè)置以及輸出數(shù)據(jù)編碼格式設(shè)置等，由時鐘分頻模塊提供20MHz輸入時鐘源SCLK，數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿從DIN引腳載入ADC，F(xiàn)PGA在轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集過程中對和串行時鐘信號進行控制，輸入信號在的下降沿進行采樣，而轉(zhuǎn)換同時在此處啟動，無流水線延遲，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一次需要16個周期，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)從DOUT引腳送入FIFO緩存模塊。

圖6 AD7928工作時序

2.3.3 FIFO緩存模塊

AD7928每1μs輸出一個角膜變形信號，空氣脈沖作用下角膜變形信號從產(chǎn)生到結(jié)束大概需要25ms，ADC輸出約25000個數(shù)據(jù)量。為防止數(shù)據(jù)量大引發(fā)數(shù)據(jù)丟失、提高系統(tǒng)工作效率設(shè)計了本模塊。通過配置FPGA內(nèi)部的IP核FIFO，設(shè)置位數(shù)為12，深度為32768的同步FIFO，可滿足25ms內(nèi)連續(xù)的角膜變形信號數(shù)據(jù)流進行緩存，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)先采集后處理的工作模式。圖7為FIFO緩存結(jié)構(gòu)，clock是FIFO的寫/讀時鐘，與AD7928采樣時鐘一致，即為1MHz的工作時鐘，由時鐘分頻模塊提供該時鐘。data為FIFO輸入數(shù)據(jù)，即AD7928的輸出數(shù)據(jù)。q為FIFO的輸出數(shù)據(jù)，wrreq和rdreq分別為寫使能和讀使能，通過full/empty（滿/空標志）控制數(shù)據(jù)的寫入/讀出。將寫滿的25ms數(shù)據(jù)送至峰值檢測模塊，由SDRAM存儲模塊完成FIFO輸出數(shù)據(jù)的存儲。

圖7 FIFO緩存結(jié)構(gòu)

2.3.4 峰值檢測模塊

考慮到角膜變形信號在采集過程中會夾雜一定的信號噪聲，可能產(chǎn)生“毛刺”或“假峰”影響尋峰精度［8］，對FIFO緩存送入的數(shù)據(jù)通過數(shù)字濾波進行預(yù)處理，采用異常值判斷濾波法，根據(jù)相鄰兩點數(shù)據(jù)無跳變的理論，比較相鄰兩次采樣值如變化超過閾值，則說明為異常值，通過去除最近一個數(shù)據(jù)消除尖峰噪聲對峰值檢測的影響。圖8為角膜變形信號峰值，將角膜變形信號和眼壓壓力信號擬合在同一坐標軸下，A1、A2為兩次角膜變形信號的峰值，P1、P2為對應(yīng)于兩次峰值時刻TI、T2的眼壓壓力信號。如果直接進行尋峰檢測數(shù)據(jù)量較大，而且大部分數(shù)據(jù)均為冗余數(shù)據(jù)［9］，為減少FPGA處理數(shù)據(jù)量，提高處理速度，采用閾值比較尋峰算法排除掉離峰值電壓較遠的低電壓浮動。

圖8 角膜變形信號峰值

通過Verilog HDL編寫狀態(tài)機來實現(xiàn)峰值檢測，圖9為RTL峰值檢測。在FPGA內(nèi)部設(shè)置兩個寄存器，分別存儲兩次角膜峰值信號。FIFO每1μs送入一個ad_adta，通過計數(shù)器對輸入信號進行計數(shù)。首先對輸入信號進行閾值比較，若大于所定閾值X1點的值時（如圖7所示），則初始化第一峰值寄存器，進入峰值比較狀態(tài)并將輸入值存入該寄存器。若下個進入的值大于該寄存器值，則將該值更新為寄存器值，否則該寄存器值不變。

圖9 RTL峰值檢測

依次判斷采集的信號值，直到輸入信號值小于寄存器值時，判斷當(dāng)前寄存器值是否為有效峰值。如果此后到X2點之前的信號均呈下降狀態(tài)，則該寄存器值為有效峰值；反之，由于有效峰值幅度較大，通過去掉幅值達不到要求的無效峰值得到ad_data_peak1，并通過計數(shù)器提取出峰值時刻time_peak1［10］。狀態(tài)轉(zhuǎn)移到對第二次峰值的檢測，檢測機制與第一峰值檢測相同，將檢測得到ad_data_peak2存入第二峰值寄存器，并得到峰值時刻time_peak2。將得到的角膜峰值時刻值送入SDRAM存儲模塊內(nèi)進行存儲。

對所獲得的角膜峰值時刻進行誤差分析，不僅要考慮角膜變形信號測量過程中的高斯噪聲誤差［11］，還要考慮A/D量化誤差所帶來的影響。設(shè)角膜變形真實信號s1(t)疊加高斯噪聲z1(t)后為：

A/D量化誤差與高斯噪聲不相關(guān)，式（1）經(jīng)A/D量化誤差q1(n)疊加后為：

設(shè)AD7928位數(shù)為b位，量化寬度即為B=2-b，采用舍入處理，舍入量化噪聲q(n)的均值與方差分別為：

用Δλ表示角膜變形接收信號r1(n)與角膜變形真實信號s1(n)在量化噪聲引起的相位偏移。對s1(t)進行傅里葉變換得S(k)=x(k)+jy(k)。記在最大譜線對應(yīng)的k為m，Δλ表達式為：

將信號的幅度記為A，由式（5）可以得到相位差的方差為：

記采樣次數(shù)為N，高斯白噪聲背景下角膜變形信號FFT相位差法估計誤差的方差的下限為：

峰值時間誤差Δτ可表示為：

角膜變形信號f為1MHz，AD7928的位數(shù)b=12，采樣次數(shù)N=3，SNR=15dB時，得到角膜變形信號峰值時刻誤差結(jié)果為0.157μs，可知角膜變形信號峰值時刻檢測誤差小于0.2μs。

2.4 SDRAM存儲模塊

采用Micron公司的32Bit MT48LC4M32B2P-6作為SDRAM存儲芯片，SDRAM具有體積小、存儲空間大等優(yōu)點。通過FPGA對SDRAM狀態(tài)控制器進行配置，SDRAM控制器針對SDRAM的指令操作特點，為SDRAM提供同步命令接口和時序邏輯控制，采用讀、寫FIFO和讀寫邏輯控制模塊，優(yōu)化接口封裝［12］。SDRAM的每次寫操作可將數(shù)據(jù)存儲在指定位置，讀操作根據(jù)需求讀出指定位置的數(shù)據(jù)，完成角膜變形信號以及角膜峰值時刻的寫入/讀出以及存儲。

3 系統(tǒng)仿真分析

為了驗證本系統(tǒng)能夠完成對兩次峰值信號的提取以及確定兩次峰值時刻，使用Modelsim進行了仿真，峰值檢測仿真結(jié)果如圖10所示。其中，clk為外部時鐘信號，rst為復(fù)位信號，clk_50為時鐘分頻模塊產(chǎn)生的1MHz時鐘，ad_adta為FIFO輸入信號，ad_data_peak1和ad_data_peak2為兩次峰值信號，time_peak1和time_peak2為兩次峰值信號對應(yīng)的峰值時刻?？梢娤到y(tǒng)完成了從ad_data輸入信號中提取出兩次峰值信號，ad_data_peak1和ad_data_peak2最終輸出為兩次峰值信號，并由time_peak1和time_peak2輸出了兩次峰值信號對應(yīng)的時刻。

圖10 峰值檢測仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

通過理論分析與仿真驗證，基于FPGA實現(xiàn)的角膜變形信號峰值時刻檢測系統(tǒng)完成了對兩次峰值時刻的檢測，對產(chǎn)生25ms左右的角膜變形信號可達到1μs的峰值檢測精度，且檢測誤差小于0.2μs，實現(xiàn)了對角膜變形信號峰值時刻精度較高的檢測。與傳統(tǒng)峰值時刻檢測電路相比，本系統(tǒng)通過FPGA作為主控芯片，不需采用比較器及DAC電路部分，便實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與峰值檢測，減少了峰值檢測硬件電路的設(shè)計，在時間精度和采樣速率上均有提高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。