（信号与信息处理专业论文）基于sopc便携式心电监护系统的研究与设计.pdf

t h er e s e a r c ha n d d e s i g no fp o r t a b l e m o n i t o rs y s t e mb a s e do ns o p c h o u s i y u u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f l in i a n q i a n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a j u n e ，2 0 1 1 缪i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 幺暨煎 e t期：趔止丝：z ： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密( 年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弋乞迅鲴导师签名： 【 济南大学硕卜学位论文 目录 摘要i i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 研究的背景及意义。l 1 2 国内外研究现状2 1 3 心电信号滤波的发展现状2 1 4 心电信号检测的发展现状3 1 5 本文研究的主要内容3 第二章心电监护系统的硬件设计一5 2 1 系统的总体设计5 2 2 心电信号采集5 2 3 心电监护系统外围设备设硬件计8 2 3 1s d 卡的硬件设计8 2 3 2u s b 接口硬件设计9 2 3 3 微型打印机硬件设计1 0 2 3 4t f t 液晶屏硬件设计1 l 2 3 5 配置芯片e p c s l6 一1 2 2 3 6f l a s h 1 ：1 2 3 7r a m 12 第三章基于n i o sl | 的u c i n u x 移植1 5 3 1s o p c 概述15 3 2s o p cb u id e r 简介16 3 3nio si i 嵌入式软核概述一17 3 4u ci n u x 简介l8 3 5u ci n u x 系统特点19 3 6 总体设计2 2 3 6 1b o o t l o a d e r 引导程序2 2 3 6 2 系统移植流程2 3 3 6 3s o p c 硬件系统2 4 3 6 4u ci n u x 系统移植2 6 基于s o p c 便携式心电j l 护系统的研究与设计 第四章心电信号滤波2 9 4 1 心电信号的低通滤波器设计及f p g a 实现2 9 4 1 1 切比雪夫算法。3 l 4 1 2 等波纹切比雪夫滤波器的实现3 2 4 2 心电信号的自适应滤波器设计及f p g a 实现3 3 4 2 1 最小均方算法的结构与运算概述3 4 4 2 2 自适应滤波器的f p g a 实现3 6 第五章心电信号的检测与诊断3 9 5 1 心电信号概述3 9 5 。2 心电信号检测方法介绍4 0 5 2 1o r s 波群的特征提取方法4 0 5 2 2p 、t 波信息提取4 2 5 3 差分阈值算法4 2 5 。4 心电信号的诊断4 7 第六章心电监护系统的软件设计。4 9 6 1 采集控制a d 7 9 2 0 4 9 6 2s d 卡的实现5 0 6 2 1f a t l6 文件系统5 0 6 2 2s d 卡的软件实现5 2 6 3u s b 接口实现5 4 6 4 打印机实现5 4 6 5t f t 液晶屏实现一5 6 6 6 软硬件联合调试5 7 第七章结论与展望5 9 7 1 全文总结5 9 7 2 展望6 0 参考文献。6 1 翌i 【谢6 5 附勇之6 7 济南大学硕上学位论文 摘要 心电图( e c g ) 是用来诊断心脏疾病的主要技术之一。随着计算机技术和微 电子技术的迅速发展，更多的技术被应用到生物医学测量与仪器的研究和应用当 中。由于心脏病发作的突发性与随机性，6 0 的心脏病死亡发生在患者家中；医 院的监护设备往往体积庞大，价格昂贵，不便于携带。所以研发微型化，智能化， 便携式的，实用的家用心电监护仪器成为主要的研究方向。 本文研究的主要内容是基于s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 片上可 编程系统，以a l t e r a 公司c y c l o n ei i i 系列e p 3 c 1 6 q 2 4 0 c 8 为核心芯片构建硬件 系统的平台，n i o s l i 嵌入式软核作为处理器设计便携式的心电监护系统。 本文主要介绍了以下几部分内容： 便携式心电监护系统的总体设计。e c g 信号采集电路的设计，e c g 信号通 过前置放大电路，巴特沃思带通滤波器，再经过主放大电路，电压抬升电路， a d 转换电路，被送入f p g a 芯片中做数字滤波处理。以及b j 触摸的t f t 液晶 屏、s d 卡、u s b 接口等外围设备的电路设计。 基于n i o s i i ，在c y c l o n ei i i 系列e p 3 c 1 6 q 2 4 0 c 8 芯片的d e 2 嵌入式平台上， 移植了u c l i n u x 操作系统。 数字滤波采用a l t e r a 公司的d s pb u i l d e r 设计的等波纹切比雪夫f i r 低通滤 波器，滤除1 1 0 h z 以上的高频干扰；再利用l m s 自适应f i r 滤波器，解决心电 信号中的工频干扰和基线漂移问题。 e c g 信号的检测，采用自适应的可变阈值的差分算法，对e c g 信号的 q r ，s ，t , p 波进行检测及特征参数的提取。通过对特征参数的计算与病症相对应， 对各组e c g 信号的诊断，得出诊断的结果。 本文对上述各个部分进行了详细的讨沦，并对整个心电监护系统进行搭建， 通过n i o si d e 进行软件的开发，设计控制系统的主程序，协调控制各个模块。 本设计采用s o p c 系统，利用f p g a 并行数据处理的优点，n i o s l i 处理器作为 系统流程的控制核心，减少了大量外围接 j 电路，缩小了体积，提高了系统的可 靠性，达到了预期的技术指标。使用者可以通过仪器显示的心电波形和数据，对 自身的健康状况进行日常的监护和自我诊断。 基于s o p c 便携式心电监护系统的研究与设计 关键词：e c g 信号；s o p c ；u c l i n u x 移植；滤波；特征检测；病情诊断 i v 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o c a r d i o g r a m ( e c g ) i so n eo ft h et e c h n i q u e st od i a g n o s eh e a r td i s e a s e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h em i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r et e c h n o l o g i e sh a v eb e e na p p l i e dt ob i o m e d i c a lr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sa p p l i c a t i o n b e c a u s eo f t h es u d d e nh e a r ta t t a c k a n dr a n d o m n e s s ，6 0 o fp a t i e n t s 、 ，i t l lh e a r td i s e a s ed e a t h so c c u ra th o m e s ，m e d i c a l m o n i t o r i n ge q u i p m e n t i so f t e n b u l k y ，e x p e n s i v e a n dn o tp o r t a b l e s oi ti s b e c o m i n gam a j o rr e s e a r c ht oi n v e n tam i n i a t u r e ，s m a r t ，p o r t a b l ea n dp r a c t i c a l h o u s e h o l de c gm o n i t o r i n ge q u i p m e n t t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri sb a s e do ns o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l e c h i p ) ，u s i n gt h ec y c l o n ei i is e te p 3 c 16 q 2 4 0 c 8c o r ec h i po fa l t e r ac o r p o r a t i o nf o r b u i l d i n gh a r d w a r e a s 、析t i ls o f t - c o r ee m b e d d e dp r o c e s s o rn i o s l id e s i g no fap o r t a b l e e c gm o n i t o rs y s t e m t h i sa r t i c l ec o n t e n t sa sf o l l o w s ： i n t r o d u c et h ed e s i g no fp o r t a b l ee c gm o n i t o rs y s t e ma n dt h ec i r c u i td e s i g no f e c gs i g n a la c q u i s i t i o n e c gs i g n a li ss e n tt of p g ac h i pa sd i g i t a lf i l t e r i n gt h r o u g h t h ep r e a m p l i f i e rc i r c u i t ，b u t t e r w o r t hb a n d p a s sf i l t e r ，m a i na m p l i f i e rc i r c u i t , v o l t a g e l i f tc i r c u i ta n da dc o n v e r t e rc i r c u i t c i r c u i t sd e s i g no ft f t - l c dt o u c hs c r e e n ，s d c a r d ，u s bi n t e r f a c ea n ds oo n i nt h ed e 2e m b e d d e d p l a t f o r m o fc y c l o n ei i is e te p 3 c16 q 2 4 0 c 8c h i p t r a n s p l a n t e du c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mb a s e do nn i o s l i d i g i t a l f i l t e rw i t ha l t e r a sd s pb u i l d e rd e s i g no fe q u i r i p p l ef i rl o w p a s s c h e b y s h e vf i l t e r ，f i l t e ro u th i g hf r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ea b o v e1lo h z l m sa d a p t i v e f i rf i l t e ru s e dt or e m o v ef r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ea n db a s e l i n ed r i f to ft h ee c g s i g n a l e c gs i g n a l d e t e c t i o n u s i n g a l l a d a p t i v e v a r i a b l et h r e s h o l dd i f f e r e n c e a l g o r i t h mo nt h eq ，s ，t ，pw a v ed e t e c t i o na n d e x t r a c t i o no ff e a t u r ep a r a m e t e r so f e c gs i g n a l b yc a l c u l a t e dp a r a m e t e r sa n dc o r r e s p o n d e dw i t ht h ed i s e a s e ，d i a g n o s e d e c gs i g n a l ，o b t a i n e dd i a g n o s t i cr e s u l t s v 笨于s 0 p ( 、便携式心电监护系统的研究与设计 p e r i p h e r a le q u i p m e n tu s e dt h et f tl c dt o u c hs c r e e na st h ed i s p l a y ，i tc a l l d i s p l a ye c gw a v e f o r m sa n do t h e rd a t ar e a l t i m e s dc a r di su s e dt os t o r a g ed e v i c e i t s e l e c t st h ei m p l e m e n t a t i o no fs p im o d ea n dw i t ht h ef a t16f i l es y s t e ma c c e s st o d a t a p r o v i d eu s b p o r tf o rc o n n e c t i o n 、析t l lt h eh o s tc o m p u t e r a n dd a t at r a n s m i s s i o n i nt h i sp a p e r , e a c hp a r ti sd i s c u s s e di nd e t a i l t h ee c gm o n i t o rs y s t e ma r es e tu p ， c o n t r o lp r o g r a m sa r ew r i t t e nt oc o o r d i n a t ec o n t r o lo fe a c hm o d u l eb yu s i n gn i o si d e t h ed e s i g ni sb a s e do ns o p cs y s t e m ，u s i n gt h ea d v a n t a g e so fp a r a l l e ld a t ap r o c e s s i n g o ff p g a ，n i o s l ip r o c e s s o rc o r ea s t h es y s t e mc o n t r o lp r o c e s st or e d u c eal a r g e n u m b e ro fp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t ，r e d u c i n gt h ev o l u m ea n di m p r o v et h er e l i a b i l i t y o ft h es y s t e mt oa c h i e v et h ed e s i r e ds p e c i f i c a t i o n s u s e r sc a l lo b s e r v et h ee c g w a v e f o r ma n dd a t at h r o u g ht h el c d s c r e e n ，m o n i t o r i n ga n ds e l f - d i a g n o s t i ct h e i ro w n h e a l t hr o u t i n e l y k e yw o r d s ：e c gs i g n a l ；s o p c ；u c l i n u xt r a n s p l a n t a t i o n ；f i l t e r ；f e a t u r e d e t e c t i o n ；d i s e a s ed i a g n o s i s 济南大学硕七学位论文 1 1 研究的背景及意义 第一章绪论 近年来，随着人口老龄化程度的增加和人们生活节奏的加快，心血管疾病的 发病率逐年上升，已经成为导致人类死亡的主要原因，约占全世界死亡人数的三 分之一【1 1 。医学界非常重视一t 二, f f a 管疾病的诊断与治疗，很多医疗仪器公司都投入 了大量的人力、物力进行相关产品的开发，研制床旁监护、遥测监护以及中央监 护等一系列心电监护产品。 心电图( e c g ) 是用来诊断心脏疾病的主要技术之一。自1 9 0 3 年，荷兰的 生理学教授e i n t h o v e n 采用弦线式电流计首次测出心电图，已有百年的历史。心 电图诊断被大量使用在临床的治疗。常规心电图，是患者在安静情况下，获取的 少最心脏状态的信息，由于在限定的时间内，患者不一定处于发病的状态，所以 检测到病症的概率是很低的，而往往快速和缓慢型的心律失常才是心脏病患者发 病或死亡的主要原因。正是由于心脏病发作的突发性与随机性，医院的监护设备 往往体积庞大，价格昂贵，不便f 携带；加之缺乏安全、特效的抗心律失常的有 效药物；患者不可能长期在医院静卧。有研究资料表明，有6 0 的心脏病死亡发 生在患者家中，所以研发微型化、智能化、便携式的医疗仪器成为主要的发展方 向，家庭心电监护变得尤为重要。 家庭心电监护系统源于h o l t e r ( 动态心电图) 系统。传统的h o l t e r 系统，是 采用普通的1 2 导联，将患者2 4 小时的心电情况记录下来，再由医护人员对记录 下的心电波形进行诊断。这样不能实时诊断，既大大降低了诊断的准确性，也延 误了治疗时间【2 1 。为此，我们以家庭使用和实时监护使用为目的，研制了便携式 心电监护仪，以使突发性心脏病患者的诊断和监护能在第一时问进行，为患者争 取了宝贵的抢救时间。 患者使用的心电监护终端不同f 一般医院的心电监护与检查设备，由于使用 对象与使用环境具有特殊性，所以它要求抗干扰能力强，用以消除各种生理以及 运动干扰，确保心电信号的准确检测；另外，它应能对异常心电进行准确检测， 误检、漏检率低、监护容量大：最后，整个心电监护终端应小巧轻便，方便操作， 基于s o p c 便携式心电监护系统的研冤与设计 使用寿命长。 1 2 国内外研究现状 随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，与智能诊断相关的软件层出不 穷。出现了大量采用d s p 处理器加m c u ( 多个单片机) 的设计，并趋向于模块 化，低功耗，小型化，长时间数据保存和网络信息化。但这螳心电监护产品往往 存在程序编写繁琐，硬件设计复杂，体积庞大，开发周期长，研发成本高等问题 【3 】 o 医用电子仪器是直接应用于人体疾病的诊断与治疗，与农业、工业、国防、 科学上使用的电子仪器相比，更加强调安全性、可靠性以及准确性。 心电图机町以记录心脏活动时所产生的生理信号。由于心电图机的使用方 便、价格适中，是各级医院中普及最广的的医用电子仪器之一。而在我国生产心 电图机的企业并不多，专门生产心电图机的企业不超过3 0 家，而且以中小型企 业居多，其产品也大多为劳动密集型的低科技产品，缺少自主知识产权，技术含 量低、创新能力差。近年，心血管疾病的发病率成不断上升的趋势，我国新型的 心电图机也将把数字化技术应用到医疗设备中去，不断提高工作效率，这都将明 显提高临床诊断的准确性。如今国内9 0 的心电图机都是国外品牌，未来这种市 场格局有望被打破。 1 3 心电信号滤波的发展现状 心电信号属于微弱信号，所受的干扰一般町分为工频干扰、基线漂移、肌电 干扰、电极接触干扰、电极极化干扰、运动干扰和放大电路内部噪声干扰等1 4 。 在滤除工频干扰的技术上，最早采用的是平滑滤波器。w a r i a rr 等人提出 了简单整系数带阻滤波器法【5 1 。此外，p m a g e n t e 6 q 寸论了用软阈值的心电信号 去噪，自适应滤波器，可有效消除心电信号的基线漂移，且对s t 段影响小。 s e n h a d j i 等1 7 1 提出基于小波分析的e c g 滤波技术叮以较好的抑制噪声，进行q r s 波探测，但是运算最较大。f n a z a nu c a r l 8 1 提出了基于多分辨率正交小波变换的 心电信号去噪算法，e e r c e l e b i l 9 1 提出了基于提升小波的心电信号处理方法，提 高了小波处理心电信号的实用性，但利用小波变换进行e c g 信号去噪过程中，如 2 济南大学硕士字位论文 何降低运算量，尽量少地减少信号失真，同时提高运算速度和减少资源占用率是 目前尚需进一步探讨研究的问题【l o l 。 1 4 心电信号检测的发展现状 1 9 5 9 年，p i p b e r g e r 等人第一次完成了区分正常心电图和异常心电图的程序。 自此借助于计算机的，心电图的自动分析与诊断技术就迅速的发展起来，并不断 地被改进和完善。国内外很多学者就这一领域做了大量的研究工作。 e c g 信号的检测通常有硬件检测和软件检测两种方法。硬件检测的结构相 对简单，处理速度较快，但是可以处理的参数比较少，不能应付复杂的情况，一 般仅能确定q p s 波群的位置。对于q p s 波群的宽度和面积，以及p 波、t 波等 其他波段的特征参数也很难检测。而软件检测的方法就灵活很多，可以方便的调 节各种参数，增加检测参数，对复杂的情况进行判别处理。 近几年，软件检测t 要研究的方法有以下几种：可变阈值检测【1 l 】，通过预置 幅度以识别q r s 波，这种方法对于减少宅性早搏的漏检具有一定的效果。模板 匹配法【1 2 1 ，其原理是把心电信号的采样点与心电波形模板进行逐点比较，当处理 信号与模板耦合相关值最大时，便检测出了该信号。常用的比较方法有最d - - 乘 法、平均平方误差法以及面积差分法等。句法分析方法【1 3 1 是属于非参数法的检测 q r s 波的方法，是从心电信号的波形形态上进行判断。所以在处理心电信号时 一般不对信号做变换。但这种方法很少实际应用，因为对噪声敏感，处理速度较 慢。近年来，小波变换技术迅速发展，提高了q r s 波检测算法的抗干扰性，而 且在处理突变信号时具有显微能力，取得了很好的效果。 1 5 本文研究的主要内容 本文是对便携式心电监护系统的研究，通过心电检测可以快速、准确地获得 病人的心脏健康情况，以便实时监护病人的心脏健康状况。采用了一种基于s o p c 技术的心电信号的数字滤波、检测分析系统的设计。心电采集系统采集接收病人 的心电信号，在f p g a 中实现数字滤波处理，心电信号各个波段的分析检测，充 分利用f p g a 并行数据处理的优点，可实现多路心电数据的并行处理分析。n i o s i i 处理器作为系统流程的控制核心，控制系统的心电信号检测、分析与通讯。与 基于s o p c 便携式心电监护系统的研究与设计 单片机和d s p 的设计方式相比，减少了大量外围接口电路，缩小了体积，提高了 系统的町靠性。不但能更好的对多路数据进行实时同步处理，而且有利于降低产 品成本、缩短研发周期，具有功能的可扩展性等特点。 论文的章节安排如下： 第一章介绍了心电监护系统的背景和发展；e c g 信号的滤波和检测技术的 发展现状。 第二章介绍了便携式心电监护系统的总体设计，以及e c g 信号采集电路的 设计，以及可触摸的t f t 液晶屏、s d 卡、u s b 接 1 等外围设备的硬件电路设计。 第三章介绍了在c y c l o n ei i i 系列e p 3 c 1 6 q 2 4 0 c 8 芯片的d e 2 嵌入式平台上， 基于n i o s l i 的u c l i n u x 的移植。 第四章介绍了基于f p g a 的e c g 信号的数字滤波，主要包括等波纹切比雪 夫f i r 低通滤波器和l m s 自适应f i r 滤波器的设计与仿真。 第五章介绍了软件部分的设计。讨论了采用自适应的可变阈值的差分算法， 对e c g 信号的q ，r s ，t ，p 波进行检测及特征参数的提取。通过对特征参数的计算 与病症相对应，对各组e c g 信号的诊断，得出诊断的结果。 第六章介绍了外围设备町触摸的t f t 液晶屏，s d 卡，u s b 串口的软件设计， 并搭建整个心电监护系统，进行软硬件的联合调试。 第七章介绍了研究的成果，对本论文进行了总结并展望。 4 济南大学硕卜学位论文 第二章心电监护系统的硬件设计 2 1 系统的总体设计 基于便携式心电监护系统的设计，为了减少电极数量，我们采用三电极的形 式，两个圆电极，一个颈电极。心电采集模块包括带通模拟滤波器、放大电路、 电压抬升电路、a d 转换电路等。将采集到的e c g 信号送入f p g a ，本系统采 用a l t e r a 公司的c y c l o n ei i i 系列的f p g a 芯片，数字滤波模块、心电检测和诊 断模块、可触摸t f t 液晶屏显示模块、s d 卡存储模块和控制模块等都在f p g a 中完成。系统框图如图2 1 所示。 屏蔽保护 r a m 吁 呃c k i 。一卜r = 氏习嚣茹订 - t l：i_ 1 竺查皇竺h 二鱼堡：r 一 渔 厂= a d c 一 f p g a i：i 。 。a 厂= r _ _ _ - _ 。一r o o o o o o o 0 0 1 、 u 放大审路l 一电垦堕升l _ i ：问竺：兰竺ii 皇堕l f l a s h 2 2 心电信号采集 图2 1 系统框图 心电信号十分微弱，频带主要集中在0 0 3 h z l1 0 h z ，中心频带集中在1 7 h z 左右，幅度在1 0 u v 5 m v 之间，所需要的放大倍数约为5 0 0 1 0 0 0 倍。5 0 h z 的工 频信号，高频电子仪器信号等是心电信号中的主要干扰。在采集心电信号的过程 中主要针对这些噪卢做滤除的工作。 本设计的采集电路采用的是三套相同的信号调理电路，使用c d 4 0 5 l 切换电 路快速切换三路信号，所以信号的滤波、陷波、放大部分可以采用一套电路完成。 采集电路的电路如图2 2 所示。 5 基于s o p c 便携式心电监护系统的研究与设计 亨 图2 2 采集电路图 l 、前置放大电路 前置放大器采用a d 公司的a d 6 2 0 a ，其具有高输入阻抗，高共模抑制比， 低漂移，低噪声，非线性度小等性能。最大的输入失调电压是5 0 u v ，失调漂移 o 1 6 u v c ，共模抑制比为1 2 0 d b ( g = l o ) ，最大供电电流是1 1 3 m a 。 外部控制电阻值为： ：_ 4 9 - 4 k _ q 式( 2 1 ) u g l 。7 设增益l o 倍的增益，计算得到r g 为6 kq ，电路如图2 3 所示。 图2 3 前置放大电路 6 济雨大学硕士学位论文 2 、滤波电路 心电信号较微弱，高频干扰，医疗仪器的噪声，再加上前级放大电路对信号 的放大，高频干扰信号会干扰心电信号的测量，所以必须进行滤除。已知人体心 电信号频率大约为0 0 5 h z 。1 1 0 h z ，而低于0 0 5 h z 的信号已经在前置放大器中滤 除，因此设计一个截止频率为11 0 h z 的低通滤波器。 设计采用6 阶巴特沃思滤波器，如图2 4 所示。因为其频率响应曲线在通带 内最为平坦，而在阻频带则逐渐下降为零，并且单调变化。 图2 4 巴特沃思滤波器 3 、陷波电路 虽然前端集成化器件已经有很高的共模抑制比，但由于后级电路会再次引入 5 0 h z 工频二f 扰，所以在电路中需要加入5 0 h z 的陷波器，如图2 5 所示。可采用 双t 带阻滤波器，其品质因数与反馈系数的比例关系为： q = 志 都2 ) 但并不是品质因数越大越好，品质因数越大，其1 3 也越大，电路将出现不稳 定甚至自激振荡，本设计选r = 3 0 k ( 2 ，c = dj ，f = 1 2 r l r c = 5 0 适当运用 电阻误差，可以将其近似调整为5 0 h z 左右。变位器调到0 5 k ( 2 ， = 0 9 8 ，q = 1 2 5 4 。 4 、主放大电路 n 难里兰恩占 7 基于s o p c 便携式心电监护系统的研究与设计 前置电路已经将信号放大1 0 倍左右，心电信号的幅度为0 5 m v 左右，而 a d 转换输入信号要求肚5 v ，因此，本级放大倍数应为5 0 倍左右，整个采集电 路的放大倍数约为5 0 0 倍左右，电路如图2 6 所示，即： g _ 1 + 惫r _ l + 罴_ 5 1蛔)2 。2 0 施 、。 图2 6 主放大电路 5 、电平抬升电路 心电信号经过前级电路盼调理之后，在送入a d 转换器之前还需电平抬升。 因为a d 转换电路的输入电压范围为肚5 v ，因此，为满足a d 转换电路的电压 要求，加入电平抬升电路，如图2 7 所示。 图2 7 电平抬升电路 2 3 心电监护系统外围设备设硬件计 2 3 1s d 卡的硬件设计 s d 卡是具备串行和随机存取能力的高度集成闪存的存储设备。可靠的数据 传输可以通过优化串行接口的访问速度来实现。允许多个卡堆叠与外部接口连 接。s d 卡系统足一个大容量存储系统，具有高记忆容量、快速数据传输率、极 大的移动灵活性以及很好的安令性等特点。 8 济南大学硕十学位论文 s d 卡的体积轻巧，有1 2 8 m b 2 5 6 m b 5 1 2 l g b y t e 等不同的容量。可变 时钟的频率在0 - - - 2 5 m h z ，通信电压范围在2 肚3 6 v ，工作电压范围在2 6 v 。 具有自动断电或启动、低电压消耗、和智能电源管理的特点。卡片具有带电插拔 保护，高速串行接口随即存取，支持双通道闪存交叉存取，最大读写速率为 10 m b y t e s 。数据寿命可进行1 0 万次编程读写或擦除。 s d 卡有两个可选的通信协议：s d 模式和s p i 模式。主机系统可以选择其中 任一模式。其中s d 方式采用6 线制，使用c l k 、c m d 、d a t 0 d a t 3 进行数据 通信。而s p i 方式采用4 线制，使用c s 、c l k 、d a t a l n 、d a t a o u t 进行数据通信。 采用不同的初始化方式可以使s d 卡工作于s d 方式或s p i 方式。s d 卡电路设计 如图2 8 所示。 2 3 2u s b 接口硬件设计 图2 8s d 卡电路 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是19 9 5 年m i c r o s o t t 、c o m p a q 、i b m 等公司联合制 定的一种新的p c 串行通信协议。u s b 支持“总线供电”和“自供电 两种供 电模式。在总线供电模式下，设备最多可以获得5 0 0 m a 的电流。它的接口轻巧， 而且可以传输大量数据。u s b 接口具有速度快、不占中断、兼容性好、可以串 接等特点。u s b 2 0 标准接口的数据传输速度为4 8 0 m b p s 。u s b 接口电路分别由 u s b 接口插座、滤波电容、电感、电阻排、保险电阻、南桥芯片等组成。 u s b 接口的工作原理是：当电脑主机的u s b 接口接入u s b 设备时，通过 u s b 接口的5 v 供电为u d b 设备供电。上电后，内部电路开始工作，并输出高 电平信号+ d a t a 。于此同时，主板南桥芯片中的u s b 模块会不断的检测+ d a t a 的电压。南桥芯片中的u s b 模块检测到信号后，向u s b 设备发送准备好的信号， 9 幕于s o p c 便携式心电监护系统的研究与设计 u s b 设备的控制芯片就向主机的u s b 总线发送u s b 设备中的数据。主机接收后 就会提示发现新的硬件，并安装驱动程序，然后系统中就会显示u s b 设备。 本文采用u s b 转换芯片f t 2 3 2 ，完成下位机通过u s b 接口与上位机通讯， u s b 接口电路设计如图2 9 所示。 2 3 3 微型打印机硬件设计 葛 图2 9u s b 接口电路 本设计采用m 6 5 8 型微型打印机芯是机械点阵式打印机芯。它的打印头是 由4 个水平放置的打印线圈组成。该线圈水平地在2 4 个打印点间移动。打印头 也是水平移动，单向打印。打印时，每个打印线圈依次充电，一行结束打印头返 回时，纸张自动进一格。 打印头由4 个水平并列放置的打印线圈构成。待命状态时打印头在左端，打 印时打印头从左向右移动。每个打印头的移动量为2 4 个点的距离。打印头移动 时，对4 个打印线圈依次加电，即完成了一个点行。一个点行总共可以打9 6 个 点( 2 4 点4 个打印线圈) 。 纸张选用卷筒打印纸，宽度是4 4 5 0 5 m m ，直径最大是c b 5 0 m m 厚度是 0 0 7 m m 左右。每次打印头从右端l o i n 左端纸张自动进0 3 5 m m ，行距进纸是一个 点行进纸时连续完成的。打印机在停止状态时纸张可以向前拉出。 计时器是一个直接和电动机相连接的转速传感器。计时器每点行输出1 6 8 个 信号：9 6 个信号相应于打印头的9 6 个点位；7 1 个信号相应于打印头的返回。这 1 0 济南大学硕上学位论文 些输出信号在用户面以脉冲波形式排列，并作为计时脉冲。 2 3 4t f t 液晶屏硬件设计 触摸屏由液晶显示和触摸检测两部分构成。本设计使用a d 公司的a d 7 8 4 3 四线式触摸屏控制器。a d 7 8 4 3 是一个1 2 位的逐次逼近式的转换器，具有同步 串行接口和用于驱动触摸屏的低导通电阻开关。采用2 2v 至5 2 5 v 的电源供电， 吞吐量大于1 2 5 k s p s 。a d 7 8 4 3 提供了一个片上采样保持，复用器，a d 转换器， 串行接口，一个1 6 引脚q s o p 或t s s o p 封装，为用户提供了相当大的空间。采 用串行时钟输入访问部分数据，而且还为逐次逼近式的a d 转换器提供时钟。 模拟输入范围是0 到v r e f 。模拟输入到a d c 是通过提供一个片复用器。该模拟 输入可以是任何一个在面板上x 和y 坐标。复用器配置了低电阻开关，为不特 定的a d c 输入通道提供电源和相应的引脚提供外部设备接地。电路设计如图 2 1 0 所示。 爵 图2 1 0 t f t - l c d 接口电路 萋 州叶 基于s o p c 便携式心电监护系统的研究与设计 2 3 5 配置芯片e p c s l6 芯片e p 3 c 1 6 q 2 4 0 c 8 是1 6 兆位闪存设备，串行配置采用c y c l o n ei i i 系列的 f p g a 采用主动串行( a s ) 的的配置方案。低成本，低引脚数和非易失性内存， 低电流的配置和近乎零待机模式电流。3 3 伏工作电压，8 引脚和1 6 引脚小外形 集成电路( s o i c 封装) 封装。启用的n i o s 处理器，通过a s 存储器接口访问 未使用的闪存。有超过1 0 万次擦除编程周期的可编程存储器。编程支持u s b b l a s t e r t m 或b y t e b l a s t e r r m - f 载电缆。a l t e r a 的f p g a c p l d 程序下载电缆，通过 计算机的u s b 接口可对a l t e r a 的f p g a c p l d 以及配置芯片进行编程、调 试等操作。有a l t e r a 公司的编程单元( a p u ) 控制器和b p 公司微系统一般硬 件附加编程的支持。可交付与擦除存储器阵列( 所有位设置为1 存储器阵列) 。 2 3 6f l a s h f l a s h 采用t e 2 8 f 3 2 0 j 3 。本系列的主要性能是，有1 1 0 1 1 5 1 2 5 1 5 0 n s 初始访 问速度，2 5 n s 的异步页面模式读取时间，3 2 0 字节的写缓冲器，6 8 u s 每字节的 编程时间。支持编程、擦除和暂停功能，有闪存数据合成器，可与普通闪存接口 ( c f i ) 兼容。有1 2 8 位的保护寄存器，6 4 位的唯一识别装置和块擦除编程锁定。 具有绝对的接地保护，个别块锁定，以及电源转换时块擦除和编程锁定的功能。 多级单元技术，高密度，低成本。采用高密度对称的1 2 8 字节块架构。工作温 度在4 0 至+ 8 5 。1 0 0 k 的最低每块擦除周期。工作电压是2 7