（信号与信息处理专业论文）基于FPGA控制的地面显示步态校正系统设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的不断发展，电子信息技术在康复治疗中起到越来越重要的作用。近 1 0 年来，康复治疗仪器的发展十分迅速，用于康复治疗的仪器不断出现。其中步态校正 在临床诊断、物理治疗和体育训练等重要领域都有着重大的意义。基于这种大的历史背 景下，本文研究和制作了符合国人需求的步态校讵系统。本文主要的工作包括如下三个 部分： ( 1 ) 首先研究了国内外当前的下肢康复治疗仪器的发展现状，参考了一些医院的病 人样本数据，利用v c + + 编写的神经网络系统用于模拟病人的步态模型，在此训练好的 模型中，只要获取了病入的身高年龄以及性别等生理参数便可产生适合病入需求的的步 态校正参数，而后将这些步态参数通过r s 2 3 2 串口下传于f p g a ，实现f p g a 的控制 和计算。 ( 2 ) 本文设计了整套基于f p g a 的显示控制系统，用于实现p c 机与l e d 屏幕的连 接。该系统主要是通过串口接收p c 机发送的坐标数据以及脚印数据。利用接收到的坐 标数据，计算出能用于屏幕显示的控制信息以及显示信息，实现在地板屏幕上显示用于 病人训练的脚印图形，让病人根据此脚印轨迹行走，以达到康复训练的目的。 ( 3 ) 完成了l e d 屏幕的显示控制，给出了l e d 扫描控制显示的原理，并且在此原 理基础上设计了l e d 屏幕显示的控制模块。该模块通过接收屏幕的显示信息后，能够 通过控制时序，实现在屏幕显示所需要图形的功能。 关键词：f p g a 显示实现；步态校正；l e d 显示控制；神经网络 大连理工大学硕士学位论文 g a i tr e c t i f i t i o ns y s t e mb a s e do nf p g ad r i v e df l o o rs c r e e n a b s t r a c t a st h er a p i dg r o w t ho fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ea p p l i c a t i o no fm e d i c a li n s t r u m e n t s a c t sa ni n c r e u s i n 西ys i g n i f i c a n tr o l e i nt h er e c e n tt e ny e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fr e m e d y i n s t r u m e n t si sc o n t i n u o u s ，越t h en e wr e m e d yi n s t r u m e n t sk e 印c o m i n gu p ，a m o n gw h i c hg a i t r e c t i f i c a t i o ni n s t r u m e n t sa l ev e r yi m p o r t a n ti nt h ef i e l do fd i a g n o s i s ，p h y s i e a lt h e r a p ya n d s p o r t st r a i n i n g u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sag a i tr e c t i f i c a t i o ns y s t e mt h a t f i t st h en e e do f t h en a t i o n 1 1 硷m a j o rw o r ko f t h i sp a p e ri s ： ( 1 ) 1 1 1 i sp a p e rr e s e a r c h e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n to ft h er e m e d yi n s t r u m e n t so fl o w e r l i m b s ，b yr e f e r e n c i n gt ot h es a m p l i n gd a t ao fs o m eh o s p i t a l s ；an e u r a ln e t w o r ks y s t e mf o rg a i t r e c t i f i c a t i o ni sr e a l i z e do nt h ee n v i r o n m e n to fv c + + b a s e do rt h en e u t r a ln e t w o r k , t h e p a r a m e t e r so ft h es t a n d a r dg a i t sa l eg e n e r a t e di fo n l yt h eb a s i cn a t u r a li n f o r m a t i o no ft h e p a t i e n t s ，l i k eh e i g h t , a g e ，s e xa n ds oo n t h e nt h es y s t e ms e n d st h ep a r a m e t e r st of p g a t h r o u g hr s - 2 3 2 ，a n du s e sf p g at oc a r r yo u tc o m m a n d i n ga n dc o m p u t i n g ( 2 ) 1 1 l i sp a p e rp r e s e n t sa ne n t i r ed i s p l a ys y s t e mb a s e do nf p g a ，w h i c hi si m p l e m e n t e d a st h ee o r m c c t i o nb e t w e e np ct ol e d ss c i o ：n t l l i ss y s t e mc o l l e c t sc o o r d i n a t o ra n dg a i td a t a f o r mp c ，a n dt h e nt h r o u g has e r i e so fc a l c u l a t i o n , e n g e n d e r st h ec o r r e c tl e d sc o n t r o la n d d i s p l a yi n f o r m a t i o n , f i n a l l yd r i v e st h el e d st od i s p l a yt h ef o 咖而1 忸w h i c ho f f e rt h ep a t i e n t s at r a c i n gt of o l l o w 船m e d i c a li n s t r u m e n t sa c t s ( 3 ) t k sp a p e rm a n a g e st oc o n t r o lt h el e ds c r e e n , s h o w st h ep i i n c i p l eo fl d ed i s p l a y c o n t r o l ，a n dd e s i g n st h el e d sd i s p l a yc o n t r o l lp a r tb a s e so nt h i sp r i n c i p l e a f t e rr e c e i v i n gt h e p a r a m e t e r sf o r mp c t h ec o n t r o lp a r tc a ni n a k et h el e d s c r e e nt os h o wf i g u r e sb yc o n t r o l l i n g t h es e q u e n c e k e yw o r d s ：f p g ad i s p l a yc o n t r o l ；g a i tr e c t i f i c a t i o n ；l e dd i s p l a yc o n t r o l ；n e u r a ln e t w o r k 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理t 大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：筮盘 导师签名：篁芏! ：望 i 年j 羔月_ 兰生日 大连理工大学硕士学位论文 引言 近1 0 年来，康复仪器的发展十分迅速，用于康复治疗的仪器不断出现。其中步态 矫正在临床诊断、物理治疗和体育训练等重要领域都有着重大的意义。步态矫正帮助患 者完成各种运动功能的恢复训练，通过一套计算机控制下的走步状态控制系统，模拟正 常人的步伐规律训练运动，锻炼下肢的肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力，达 到恢复走路技能的目的【。该装置也可用于因车祸或者因为事故造成肢体损伤的患者做 康复训练和老年人的健身锻炼。因此，步态矫正康复治疗仪器得到当今世界医学领域的 广泛关注和研究，因此研究和制作步态矫正康治疗仪器正适应了目前市场的需要，具有 广阔的发展空间和使用价值。 近年来出现的下肢康复仪器主要是康复机器人l ，它是根据康复医学理论和人机合 作机器人原理，通过一套计算机控制下的走步状态控制系统，使患者模拟正常人的步伐 规律作康复训练运动，锻炼下肢的肌肉，恢复神经网络系统对行走的控制能力，达到恢 复走路技能的目的。但是康复机器人仍然还存在一些弊端，例如可穿戴性差，智能化程 度不高，设备性能严重滞后于患者要求等。因此有必要对此领域展开深入研究，在设计 时充分考虑患者的舒适性和经济性，建立符合市场需要的新型的步态矫正仪器。 本文正是在此大的历史背景下，研究和制作符合国内医疗器械需要的步态校正系统， 该课题具有广阔的发展前景以及市场需求。 基于f p g a 控制的地板屏幕步态校正系统 1绪论 1 1 课题来源与研究意义 步行是指通过双脚的交互动作移行机体的人类特征性活动。步行是人类最重要的运 动，行走时每人均以自己的方式采用最省力、最稳定和最自然的姿势由一处移到另一处。 步念是人类步行的行为特征，涉及行为习惯、职业、教育、年龄以及性别等因素，同时 也受到人体解剖结构、生理功能、运动控制能力及心理状念等其他因素的影响，四肢、 躯干、神经系统或某些全身性病变，也能造成步态异制2 】。一个人的步态，可以从一个 侧面反映出病人的病变特征，特别是对下肢的骨、关节、肌肉和韧带的正常度做出客观 的评价。步行的控制十分复杂，包括中枢命令、身体平衡及协调控制，涉及下肢各关节 和肌肉的协同运动，同时也与上肢和躯干的姿势有关。任何环节的失调都可能影响步行 和步态，而异常也可能被代偿或掩盖。步态校正就是研究步行规律，旨在通过生物力学 和运动学手段，揭示步态异常的关键环节及影响因素，从而对于病人的步行进行指导和 纠正，以实现临床诊断以及治疗评估方面的主要功能【3 】。近1 0 年来，康复仪器的发展十 分迅速，用于康复治疗的仪器不断出现，其中步态校正在临床诊断、物理治疗和体育训 练等重要领域都有着重大的意义。步态校正主要是帮助患者完成各种运动功能的恢复训 练，通过一套计算机控制下的走步状态控制系统，模拟正常人的步伐规律训练运动，训 练下肢的肌肉，恢复神经系统对行走功能的控制能力，达到恢复走路技能的目的。该装 置也可用于因车祸或者意外事故造成肢体损伤的患者做康复训练和老年人的健身锻炼。 因此，步态校正康复治疗仪器得到当今世界医学领域的广泛关注，研究和制作步态校正 康复治疗仪器正适应了目前市场的需要，具有广阔的发展空间和使用价值。目前在国内 应用步态校正康复治疗仪器的关键有二【3 j ：经费、步态分析技术和知识的普及。国外购 买或组装一套步态校正系统需要耗资数十万到上百万美元，并且难以维护和修理，一旦 机器发生故障，修理费用非常昂贵，基本等同于报废了。目前这几年国内医疗条件相对 较好的医院常用的下肢康复仪器主要是康复机器人，它是根据康复医学理论和人机合作 机器人原理，通过一套计算机控制下的走步状态控制系统，使患者模拟正常人的步伐规 律做康复训练运动，锻炼下肢的肌肉，恢复神经网络系统对行走功能的控制能力，达到 恢复走路技能的目的。但是康复机器人仍然还存在一些弊端，例如可穿戴性差、智能化 程度不高、设备性能严重滞后于患者要求等。而有些医疗器械条件相对简陋的医院，采 用的传统办法是医生根据自己的经验，在地板上画出适合病人的步态脚印，让病人根据 大连理工大学硕士学位论文 画出的这些脚印，进行行走，达到康复训练的目的。这种的步态校正可以说仍处于步态 校正仪器的初始状态，仍存在着不准确、智能化程度低、设备性能严重落后等问题。因 此有必要对此领域展开深入研究，在设计时充分考虑患者的舒适性和经济性，建立符合 市场需要的新型的步态矫正仪器。 综上所述，研究和制作符合国内医疗器械需要的步态校正系统，具有广阔的发展前 景以及市场需要。 1 2 下肢康复治疗仪器的国内外发展现状 康复治疗有许多手段和方法，其中使用仪器迸行康复治疗起到越来越重要的作用。 近1 0 年来，康复仪器的发展十分迅速，用于康复及治疗的仪器不断出现，打破了诊断 仪器一统天下的局面1 4 l 。康复训练的研究有着重要意义，康复训练仪器作为医疗器械的 一个重要分支，他的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、电子学、材料学、计算 机科学等诸多领域，已经成为了国际康复医疗器械领域的一个研究热点。康复的含义是 受创伤或得病后恢复患者肢体或器官的正常的形状和功能。康复工程就是致力于为患者 提供此类辅助装置。康复仪器主要分为康复训练器械和辅助康复训练器械。康复训练器 械的主要功能是帮助患者完成各种运动功能的恢复训练，如行走训练、手臂运动训练、 脊椎运动训练、颈部运动训练等，辅助型康复训练器械主要是用来帮助肢体运动有困难 的患者完成各种动作，如机器人轮椅、导盲手杖、机器人假肢等。本文研究和制作的步 态校正系统就属于康复训练器械，目前在康复护理、假肢和康复治疗等方面都有着广泛 的应用。步态校正器械不仅促进了康复医学的发展，也带动了相关领域的新技术和新理 论的发展。 随着科技进步和人民生活水平的提高，我国和世界上许多国家一样，正在步入老龄 化。在老龄人群众中有大量的脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数伴有偏瘫 症状1 4 1 。近年来由于患心脑血管疾病使中老年患者出现偏瘫的人数不断增多，而且在年 龄上呈现年轻化趋势。同时，由于交通运输工具的迅速增长，因交通事故而造成神经心 痛损伤或者肢体损伤的人数越来越多。医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的 手术治疗和必要的药物治疗外，正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提 高起到非常重要的作用。因为这类患者都存在一定的运动障碍，康复训练需要有人帮助 才能进行，由于专业护理人员的缺乏和医疗费用等问题，多数患者选择了在家里进行自 行训练，由于训练方法不够科学和讽练量的不足，很多患者错过了最佳恢复时同，许多 人因为得不到有效的康复训练而逐渐丧失了肢体的活动能力，既给患者自身带来了许多 痛苦，又给家人和社会造成了很大的负担。步态校正系统作为一种自动化康复医疗设备， 基于f p g a 控制的地板屏幕步态校正系统 它以医学理论为依据，帮助患者进行科学而有效的康复训练，可以使患者的运动机能得 到更好的恢复。步态校正系统由计算机控制，康复训练在特定的程序下自动运行，操作 简单，方便患者在缺乏护理人员的情况下可以自行使用。这类步态校正系统也可以作为 健康老年人的体育运动训练器材。 步态校j 下康复器械是帮助下肢有病变的人解决自身训练的一种工具，它可以在家罩 直接使用，使病人进行自身的独立训练，在很大程度上方便了他们的生活简易了训练的 过程。步态校j 下康复器械已经由科学幻想走进了现实生活之中。过去几年，步态校正康 复器械在欧洲已经有所发展，一些欧洲企业在技术开发及投资方面给予了支持【5 】。步态 校正康复训练器械在欧美等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机 构都开展了相关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。如目前比较流行的下肢 康复器械，分别通过借助于跑步机、悬吊系统等帮助患者进行运动训练，训练过程必须 有专业人员帮助才能进行，还不能称为康复训练，它只是一种办自动的康复训练器械。 欧美等国家的许多步态康复校正器械不仅在实验室取得了大量的研究成果，而且目前已 有步态校正器械产品打入了市场，但一般价位比较高，普通的患者比较难以承受。比如 德国自由大学开展了康复机器人的研究，并研制了m g t 型康复机器人样机，美国的 r u t g e r s 大学开展了脚步康复训练的研究，并研制了r u t g e r 脚步康复训练机器人 样机。瑞士苏黎世联邦工业大学在腿部康复机构、走步状态分析方面也取得了一些成果， 在汉诺威2 0 0 1 年世界工业展览会上展出了名为i o k o m a t 的康复训练器械。德国弗朗 霍费尔研究所研制的绳动驱动式康复机器人，在步态分析、绳驱动并联机器人技术方面 取得了一些研究成果。目前已有两种康复器械打入市场，即h a n d y l 及m a n u s ，它们 都是欧洲产生的。 我国对康复训练器械的研究起步比较晚，辅助型康复仪器的研究成果相对较多，康 复训练器械方面的研究成果则相对较少。清华大学在国内率先研制了卧室下肢康复训练 机器人样机1 5 1 。康复训练器械的市场占有率呈逐年上升的趋势，2 0 0 5 年医疗、护理、康 复器械的市场份额约为2 5 0 ，0 0 0 美元，而2 0 1 0 年将上升到1 ，0 5 0 ，0 0 0 美元。在美国数以 百万计的有神经科疾病病史和受过意外伤害的患者需要进行康复治疗。仅以中风为例， 每年大约有6 0 0 ，0 0 0 中风幸存者，其中二百万病人在中风后存在长期的运动障碍。自主 的运动康复训练已成为基本而有效的疗法，而形形色色的康复训练器械，如跑步机式康 复训练器械、自行车式腿部训练机器人、行走辅助车、下肢训练机器人，以及人工假肢、 电动轮椅等，以其经济的价格，简易的操作，适时的病情反馈与康复训练指导得到医学 专家和病人的肯定。在我国，康复医学工程虽然得到了普遍的重视，而康复医疗器械的 大连理工大学硕士学位论文 研究仍处于起步阶段，一些简单康复器械远远不能满足市场对智能化、人机工程化的康 复训练器械的要求。所以康复训练器械广阔的市场前景将推动这一新型的技术在以后得 到更多的重视与推广。 1 3 本文的主要工作及论文结构 本文主要研究和制作了基于f p g a 控制的地面显示步态校正康复治疗系统。该系统 主要是用于下肢存在病变的患者的康复训练。本文的工作主要分为三个部分：首先设计 和制作了基于f p g a 控制的整套系统的结构以及功能的实现，之后研究了大屏幕显示的 原理电路和时序控制，实现了在大屏幕上正确显示用于病人训练的脚印图形，最后本文 在研究了一些医学数据的基础上，提出了基于b p 神经网络的步态模型的计算，实现了 针对病人不同的生理状况，产生适合病人的步态参数。 本文共分为五章，具体结构如下安排： 第一章为绪论，主要介绍本课题的选题目的和意义，当前国内外医疗器械的发展现 状及发展符合我国国情的步态校正系统的重要性。 第二章给出了本文所要完成系统的基本结构功能和总体的软硬件实现的设计方案。 第三章主要介绍了系统中关键子模块的f p g a 实现，具体包括u a r t 、定时选择、 计算、脚印存储器以及屏幕显示的时序控制5 大模块。对5 大模块之间通过时序配合实 现屏幕显示进行讨论并给出计算机仿真波形的实验结果。 第四章主要研究了基于b p 神经网络的步态校正模型的计算方法。给出了b p 神经 网络的理论基础以及本文b p 网络训练的结果。 第五章是实验举例与结果分析。 基于f p g a 控制的地板屏幕步态校正系统 2 系统的总体方案与结构设计 2 1 系统的基本功能 本文的最终目标是开发一套基于f p g a 控制的用于病人康复训练的步态校正系统， 它可以帮助因中风等疾病或因外伤而引起的腿部运动障碍患者进行行走机能恢复性训 练，并且使病人的康复训练过程简洁、方便，同时使整套系统在价位上达到国内一般医 院可以接受的程度。 在整套系统中主要分为：p c 机的步态模型计算、f p g a 的控制计算和地板屏幕的显 示三部分。 在p c 机的控制中，采用v c + + 编写的b p 神经网络系统建立正常人的步态模型，具 备友好的人机交互界面，只需要根据病人的不同，输入病人的身高、年龄和性别，便可 产生适合病人训练的步长。该步长信息通过r s 2 3 2 串口自动下传于f p g a ，f p g a 通过 接收到的信息，产生正确的地板屏幕显示信息和控制信号，实现在地板屏幕上显示用以 训练病人的正确脚印模型，让病人可以在无人辅助的情况下，根据地板屏幕显示的脚印 位置行走，进行自主的步态校正，从而达到康复训练的目的。 系统设计目标如下： ( 1 ) 系统具有自动计算病人步态参数的功能，只需输入病人的生理参数，便能够实 现根据不同病人产生不同的步行轨迹； ( 2 ) 整个系统在f p g a 的控制之下，能够通过接收p c 机发送的步态参数，自动计 算地板屏幕显示所需的数据并且通过时序的控制，实现在地板屏幕上显示病人 行走所需要的脚印图形，让病人能够按照地板屏幕上显示的脚印进行独立行走， 以达到康复训练的目的； ( 3 ) 支持r s 2 3 2 异步串口通信模式； “) 系统易实现，成本低，可靠性高。 6 大连理工大学硕士学位论文 2 2 系统的总体结构与设计方案 行 - 地板屏幕显示 驱- - 4 b 人机 参数 训练 串口 n ) g a 动 - - - - - - - - _ - 交互 好的 计算 b 1 掣 步态 以及 界面 模型 控制 囤2 1 系统的总体结构 f i g 2 1t h cf r a m e w o r ko ft h es y s t e m 本文的总体结构设计如图2 1 所示，主要是上位机的计算和下位机的控制显示两大 部分，二者之间通过串口r s 2 3 2 进行数据的通信，实现相互连接并且建立友好的人机交 互。 在上位机的计算和控制中主要包括两部分： ( 1 ) 步态模型的计算。此部分主要是通过v c + + 编写的b p 神经网络系统根据病人的 不同生理特征，产生适合病人需要的步态参数，并且将此参数通过r s 2 3 2 串口下传于 f f g a ，实现f p g a 的控制显示。其中这些步态的参数主要包括脚印在地板屏幕显示的 坐标、每个病人迈出一步所需要的步长以及针对不同病人脚的大小发送的脚印数据。 ( 2 ) 串口的使用。在本文中使用了v c + + 中自带的m s c o m m ( m i c r o s o f l c o m m u n i c a t i o n sc o n t r 0 1 ) 控件，此控件通过串行端1 2 1 传输数据和接收数据，为应用程序 提供串行通信的功能。 在下位机的计算和控制中同样包括了两部分： ( 1 1f p g a 的计算和控制。首先f p g a 通过u h r t 接收从p c 机发送的数据，根据事 先与p c 机通信协议的约定判断此帧数据是脚印数据还是坐标计算数据，根据判断的结 果把接收到的数据发送到相应的下一级计算模块或者脚印数据存储模块，而后f p g a 根 据接收到的坐标数据，对整个地板屏幕所需的显示信息进行计算。在计算的过程中会调 基于f p g a 控制的地板屏幕步态校正系统 用事先发送到存储模块中的脚印数据，最后把计算好的整个地板屏幕的显示数据发送给 屏幕显示控制模块。 ( 2 ) 地板屏幕的显示控制。地板显示屏通常可以分为屏体和控制器两大部分。屏体 主要部分是显示点阵以及行列驱动电路，通常行列驱动电路是装在屏体上的。在本文中 主要是设计了控制器部分。根据屏幕扫描显示的原理，控制屏体上各个引脚的时序达到 屏幕显示的功能。 大连理工大学硕士学位论文 3 系统中关键子模块的f p g a 实现 本文使用f p g a ( f i e l dp r o g r a mg a t ea r r a y ，即现场可编程逻辑阵列) 实现整套系统 的控制显示，所以该部分是本文的重点。本章首先简要阐述一下本文所采用的f p g a 及 其开发工具，然后阐述系统的设计思路，之后具体研究各模块如何在时序的协调控制下 完成地板屏幕显示的功能。 3 1 实验系统中f p g a 器件的选取及其开发工具简介 p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是可编程逻辑器件的缩写，p l d 是一种数字集成电 路的半成品1 6 1 ，在其芯片上按一定排列方式集成了大量的门电路和触发器等基本逻辑单 元，使用者可利用某种开发工具对其进行加工，即按设计要求将这些片内的元件连接起 来，此过程就是我们所说的编程。当设计者完成编程过程后，根据不同p l d 器件的特 点，共有两种写入方式，一种是下载，一种是配置。当芯片具有掉电保持功能时，设计 者只需将设计文件写入p l d 器件中，该器件就能够永久保存设计内容，这种方式我们 称之为下载。而不具有掉电保持功能的p l d 器件，在停止供电后，写入的信息就会消 失，变为写入前的空白芯片，因此需要另外一块芯片( 通常为e 2 r o m ) 来保存设计内容， 并且在每一次系统上电后，该p l d 器件还要自动读取e z r o m 中的信息，这种方式我们 称之为配置。经过编程、下载配置后，p l d 器件就可以按设计者的要求完成某个逻辑 电路或系统的功能，成为一个可在实际电子系统中使用的专用集成电路 ( a s i c - a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e 伊a t ec i r c u i t ) 。 随着芯片技术的不断提高，p l d 器件的种类也越来越多，目前应用较为广泛的p l d 主要有c p l d 和f p g a 两大类。c p l d ( c o m p l e xp l d ) 是复杂可编程逻辑器件。c p l d 的 结构与s p l d ( s i m p l ep l d ) 类似，只不过单个芯片上集成的门数要远远大于s p l d ，也因 此能够实现更大规模的逻辑功能。 f p g a 与c p l d 都是可编程逻辑器件，f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几 十甚至几千块通用i c 芯片。这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系统部件，这种芯 片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许 多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是x i l i n x 公司的f p g a 器件系列 和a l t e r a 公司的c p l d 器件系列，全球p l d f p g a 产品6 0 以上是由a i t e r a 和x i l i n x 提供的。可以讲a l t e r a 和x i l i n x 共同决定了p l d 技术的发展方向。当然还有许多其它 类型器件，如：l a t t i c e 、v a n t i s 、a c t e l 、o u i c k l o g i c 、l u c e n t 等。 基于f p g a 控制的地板屏幕步态校正系统 q u a r t u si i 是a l t e r a 公司推出的第四代p l d 开发系统，主要用于设计新器件和大规 模c p l d f p g a 器件1 7 1 。使用q u a r t u si i 的设计者不需精通器件内部的复杂结构，设计者 可以使用自己熟悉的设计工具( 如原理图输入或硬件描述语言) 建立设计。q u a r t u si i 把 这些设计自动转换成最终所需的格式，其设计速度非常快。对于一般几千门的电路设计， 使用q u a r t u si i ，从设计输入到器件编程完毕，用户拿到设计好的逻辑电路，大约只需 几小时，设计处理一般在数分钟内完成。特别是在原理图输入等方面，q u a r t u si i 被公 认为是最易使用，人机界面最友善的p l d 开发软件。 通常可将f p g a c p l d 设计流程归纳为以下7 个步骤 7 1 ，这7 个步骤也同样是本文 的设计依据： ( 1 ) 设计输入。在传统设计中，设计人员是应用传统的原理图输入方法来开始设计 的。自9 0 年代初，v e r i l o g 、v h d l 、a h d l 等硬件描述语言的输入方法在大规模设计 中得到了广泛应用。 ( 2 ) 前仿真( 功能仿真) 。设计的电路必须在布局布线前验证电路功能是否有效。 a s i c 设计中，这一步骤称为第一次s i g n - o f f 。 ( 3 ) 设计编译。设计输入之后就有一个从高层次系统行为设计向门级逻辑电路设计 转化翻译过程，即把设计输入的某种或某几种数据格式转化为软件可识别的某种数据格 式( 网表) 。 ( 4 ) 优化。对于上述综合生成的网表，根据布尔方程功能等效的原则，用更小更快 的综合结果代替一些复杂的单元，并与指定的库映射生成新的网表，这是减小电路规模 的一条必由之路。 ( 5 ) 布局布线。 ( 6 ) 后仿真( 时序仿真) 。需要利用在布局布线中获得的精确参数再次验证电路的时 序。在a s i c 设计中，这一步骤称为第二次s i g n o f f 。 a t l e r a 公司的c y c l o n e 系列器件是公司继a c e x 后推出的又一款低成本f p g a ， c y c l o n ef p g a 是基于s t r a t i x 的工艺构架，其设计初期就定位为一款低成本的f p g a 。 对于本文的系统，a t l e r a 公司的e p 2 c 2 0 系列器件足以应付，但是处于成本和生产 工艺方面的考量，选用了含有1 8 7 5 2 个逻辑单元的c y c l o n e l le p 2 c 2 0 0 2 4 0 c 8 芯片，它具 有1 4 2 根程序可编引脚，+ 5 v 和+ 3 3 v 供电，并且价格便宜，符合本文的设计要求。 1 0 一 大连理工大学硕士学位论文 3 2 基于f p g a 控制的各模块的总体结构 基于f p g a 控制的屏幕显示共分为u a r t 、选择定时、脚印存储、坐标计算、屏幕 控制五大模块。各个模块在时钟的控制下，配合运行实现了对屏幕的显示控制。 图3 1 系统的结构框图 h 昏3 1 t h e 丘a 删= w o r ko ft h es y s t c m 系统的总体结构框图如图3 1 所示，具体功能实现： ( 1 ) u a r t 负责接收从p c 机发送的一字节8 位数据，并通过奇偶判断此8 位数据是 否出错，一旦出错则返回数据错误信号通知p c 机本字节数据错误请求重发，如果正确 则继续传于下一模块即定时选择模块。 ( 2 ) 定时选择模块的功能主要有两项，首先根据与p c 机的约定，对于一帧数据( 本 文中一帧数据定为8 字节) 进行判断，如果在规定的时间内并没有完整接收到一帧数据 ( 即可能出现的数据丢失或者串位等现象) ，则返回帧出错信号，通知p c 机进行本帧数 据的重发。如果此帧数据接收正确了，则对接收到的数据进行判断，判断上位机发送的 此帧数据是脚印数据还是坐标计算数据，然后从不同的输出端发送给相对应的计算模块 或者脚印存储模块。 ( 3 ) 计算模块主要是根据从p c 机接收到的坐标信号，即脚印在地板屏幕上显示的 坐标位置，计算地板屏幕的显示信息。计算模块在计算的过程中会向脚印存储模块发送 基于f p g a 控制的地板屏幕步态校正系统 调用脚印数据的指令。当脚印存储模块接收到此指令后，会根据计算模块同步发送的地 址指令，从存储器对应的位置中读取计算模块所需要的脚印数据返回给计算模块。 ( 4 ) 脚印存储模块的主要功能是接收并存储从p c 机发送的病人的脚印数据，同时 根据计算模块发送的调用指令，输出相对应的脚印数据给计算模块，配合计算模块完成 整屏数据的计算。 ( 5 ) 控制模块主要是根据屏幕扫描显示的原理，控制屏体上各个引脚的时序关系达 到实现屏幕显示的功能。 3 3r s 2 3 2 串口功能的实现 3 3 1基于f p g a 的u a r t 模块的功能设计和实现 u a r t ( 即u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r ， 通用异步收发器) 是 广泛使用的串行数据传输协议【8 】。它是各种设备之间进行通信的关键模块，允许在链路 上进行全双工的通信。串行端口的本质功能是作为c p u 和串行设备间的编码转换器。 当数据从c p u 经过串行端口送出去时，字节数据转换为串行的位。在接收数据时，串 行的位被转换为字节数据。在w i n d o w s 环境下，串口是系统资源的一部分，一个完整的 r s 2 3 2 c 接口，通常采用诸如8 2 5 0 ，8 2 5 1 ，n s l 6 4 5 0 等u a r t 器件实现。这类芯片已 经相当复杂，有些含有许多辅助的模块( 如h f o ) ，但本文中并不需要使用完整的u a r t 的功能和这些辅助功能，所以本文通过利用f p g a 的设计来实现u a r t 的功能，避免使 用u a r t 器件，进而简化了电路、减小体积、提高了可靠性和稳定性，并使之具有更大 的灵活性。 基本的u a r t 通信只需要两条信号线( r x d ，t x d ) 就可以完成数据的相互通信，接 收与发送是全双工形式。t x d 是u a r t 发送端，为输出；r x d 是u a r t 接收端，为输 入。u a r t 的基本特点是：在信号线上共有两种状态，可分别用逻辑1 ( 高电平) 和逻辑 0 ( 低电平) 来区分。在发送器空闲时，数据线应该保持在逻辑高电平状态。发送器是通 过发送起始位而开始一个字节传送，起始位使数据线处于逻辑0 状态，提示接收器数据 传输即将开始。数据位采用8 位一个字节的数据传输格式，如图3 2 所示，一字节数据 的传输包括1 位起始位、8 位数据位、1 位偶校验位和一位停止位。 大连理工大学硕士学位论文 起始位停止位 图3 2u a r t 数据发送，接收模式 f i g 3 2 t h em o d u l eo fu a r td a t as e n d r e c e i v e 常见的u a r t 主要由波特率发生器、发送部分和接收部分三大块组成，如图3 3 所 示。其中波特率发生器的主要功能是实现对每一位数据的时间段进行任意整数的分频， 使接收模块在接收时尽可能的选取中间时刻，以确保接收数据的正确性。接收模块的主 要功能包括：数据接收缓存器r ( r b r ) 、接收移位寄存器( r s 0 、奇偶校验、串转并。发送模 块的主要功能包括：数据发送缓冲器( t b r ) 、发送移位寄存器( t s r ) 、奇偶校验、并转串。 r x d 图3 3u a r t 模块组成 f i g 3 3 t h em o d u l eo f u a r t u a r t 部分的电路原理图如图3 4 所示，该部分逻辑综合后共使用2 7 9 个逻辑单元 ( u 巳) ，此处的资源使用情况是针对e p 2 c 2 0 0 2 4 0 c 8 器件而言的，文中除特别声明外，综 合结果都是针对该器件而言。 基于f p g a 控制的地板屏幕步态校正系统 f ad i v i d e r ：i n s t 图3 4u a r t 部分原理图 f i g 3 4 t h ec i r c u i ts c h e m a t i c so fu a r t ( 1 ) 波特率发生器，当u a r t 在发送数据的时候，只需要按照一定的速率将数据串 行地移出就可以了。然而，当u a r t 在接收串行的数据时，在什么时刻将数据移入移位 寄存器是非常关键的。最理想的情况是在串行数据的每一位的中间时刻，对串行数据进 行采样。对每一位数据的时间进行分段，时间的分段越多，对串行数据的采样越靠近中 点，由于接收方和发送方的时钟不可能完全同步，时间的分段越多，接收方出现采样错 误的概率就越低，但时间分段越多，意味着采样时钟就越高，系统的开销就越大。因此， 也不是说时间分段越多越好。在实际的设计中，本文了采用1 6 倍于波特率的时钟频率， u a r t 收发的每一个数据宽度都是波特率发生器输出的时钟的1 6 倍，按照9 6 0 0 b i t s 进 行收发，波特率发生器的输出时钟频率应该为9 6 0 0 1 6 i - i z 。波特率发生器的波形仿真结 果如图3 5 所示，本次的波形仿真实现了8 分频，在波特率发生器中可以根据给定的系 统时钟频率( 晶振时钟) 和要求的波特率算出波特率分频因子，算出的波特率分频因子作 为分频器的分频数，波特率因子可以根据不同的需要随时更改。 大连理工大学硕士学位论文 图3 5 波特率发生器的时序仿真图 f i g 3 5 t h et i m i n gs i m u l a t i o nm a po ff l e q u e n c yd i v i d e r ( 2 ) 发送模块，发送模块主要实现对并行数据的缓存，并串转换，把串行数据按照 既定数据格式迸行输出。模块结构如图3 6 所示，其中d i n 7 o 】是8 位并行数据的输入 端，转换成串行数据后从s d o 输出；r d n 是写控制信号，为0 时禁止数据输入，为1 时 允许数据输入；r s t 是系统复位信号，高电平有效；c l k 是u a r t 系统时钟输入端，由波 特率发生器得到；t s r e 是并串转换过程的标志，在没有数据转换时保持为1 ，在并串转 换开始时变为0 ，并在转换过程中保持为0 ；s d o 并串转换后的串行数据输出端。 r d n d i n f 7 0 1 r s ! c l k 发送模块 图3 6 发送模块的结构图 f i g 3 6 t h em o d u l eo fs e n d s d o t s r e 基tf p g a 控制的地板屏幕步态校正系统 在本文中串行数据结构为1 位起始位、8 位数据位、一位奇偶校验位、一位停止位。 所有数据的发送由外部接收模块控制。接收模块给出r d n 信号，u a r t 发送模块根据此 信号将并行数据d i n 7 0 1 锁存迸发送缓冲区，并通过移位寄存器进行并串转换，在转换 结束后加上奇偶校验位，发送到s d o 进行串行输出。在整个过程中，输出信号t s r e 作为 标志信号，在串行数据全部输出完毕之后变为1 ，并在发送模块未工作时保持为1 。 u a r t 发送器的状态机一共有4 个状态： 空闲状态；当u a r t 被复位后，状态机立即进入这一状态，发送器一直等待数据发 送命令，当接收到数据发送有效信号时状态机自动跳转下一状态，准备开始一字节数据 的发送。 起始位发送状态：在此状态下，u a r t 的发送器发送一个时间宽度的逻辑0 信号至 t x d ，即起始位。发送完毕后状态机转入下一状态进行数据的移位转换发送。 移位发送状态：当状态机处于这一状态时，实现待发数据的并串转换，一字节数据 转换完成后跳转下一状态。 奇偶校验发送状态：在此状态中，u a r t 的发送器发送一个时间宽度的奇偶校验信 号至t x d ，发送完毕后状态机转入下一状态即停止位状态。 停止位发送状态：当数据发送完毕，状态机转入该状态，在此状态中发送一个时间 宽度的逻辑1 信号，即一位停止位，然后状态机重新回到空闲状态，等待新的一帧数据 的发送。 ( 3 ) 接收模块，接收模块的作用是把接收到的串行数据转换成并行数据进行输出， 并通过接收到的奇偶位来判断此字节数据是否出错。接收模块的内部结构及工作过程与 发送模块相类似，只不过接收模块的工作和发送模块的工作相反，是进行数据的串并转 换。接收模块的结构框图如图3 7 所示，d i n 串行数据的输入端，转换成8 位并行数据后 从d o u t 7 0 】输出；r s t 系统的复位信号，高电平有效；c l k 是u a r t 系统的时钟输入端， 由波特率发生器得到；d a t a r e a d y 是接收模块向下一级模块发送数据的写入控制信号，当 d a t a r e a d y 为1 有效时，便通知下一级模块准备接收8 位并行数据，允许并行数据的传送， 当d a t a r e a d y 为0 无效时，则不允许向下一级模块进行数据的传送；d o u t 7 0 1 是8 位并 行数据的输出端，直接与下一级模块的输入端相连接，并且由信号d a t a r e a d y 控制其输 出；p a r i t y e r r o r 是此字节信号的奇偶判断是否出错信号，如果此字节信号传输出现错误， 则置此信号有效，并且通知上位机，本字节数据错误请求重发。 大连理工大学硕士学位论文 d i n r s t c l k 接收模块 幽3 7 接收模块的结构图 f i g 3 7 t h em o d u l eo fr e