（通信与信息系统专业论文）多指标血液分析仪的研制.pdf

塑塞堕窒堕菱盔兰堡主兰焦堡塞一一 摘要 本文简单介绍了血液分析仪的基本组成和工作原理，分析了m e k 5 2 0 8 型血液分 析仪的各个组成部分，测绘了具体电路，并对电路作了功能分析。根据分析的结果， 本文提出了模拟采集板和数字控制处理板的解决方案。模拟部分采用了e w b 软件进 行了硬件仿真，并实现了部分电路。数字部分采用了基于数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 4 0 的最小系统方案，并用c c ( c o d ec o m p o s e r ) 进行了编译调试。数字部 分的外围电路采用了复杂可编程逻辑器件( c p l d ) x c 9 5 1 4 4 ，并运用v h d l 语言和 f o u n d a t i o n 进行了仿真、编程。最后实现了模数变换和串口打印功能。本文为血液 分析仪的进一步研制打下了基础。 愀瓿，d s p - r t m s 3 2 0 ，f 2 4 0 ，c 关键p l 班, ! 彦v h d 。l ，巾n血液分析仪， ， ，c c 夸，f o 孟d a t i o n 第1 页 卜 堑塑堡堕鎏坌堑堡塑堕型 一 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ec o n s t i t u t i o na n dt h ep r i n c i p l eo fh e m a t o l o g ya n a l y z e ri sd i s c u s s e d e v e r yc o m p o n e n to fm e k 一5 2 0 8h e m a t o l o g ya n a l y z e ri s c o n s i d e r e d t h ec i r c u i t sa r e m e a s u r e da n dt h ef u n c t i o n sa r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h ea n a l y z i n gr e s u l t s ，t h et h e s i sa d v a n c e st h es o l u t i o no ft h es y s t e m ， i n c l u d i n g t h ea n a l o gd a t aa c q u i s i t i o n 、t h ed i g i t a lc o n t r o l l i n ga n dt h ed i g i t a ld a t ap r o c e s s i n g e l e c t r o n i cw o r k b e n c h ，t h ec i r c u i t ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ，i su s e df o rt h es i m u l a t i o no ft h e a n a l o gp a r t t h ed i g i t a l p a r ti s am i n i m u ms y s t e mb a s e do nt h et i s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r c o n t r o l l e rt m s 3 2 0 f 2 4 0 c o d ec o m p o s e ri su s e dt oa s s e m b l ea n dc o m p i l et h ep r o g r a m x i l i n x sc o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ex c 9 5 1 4 4i su s e dt or e a l i z et h ep e r i p h e r a l c i r c u i t s w h i c hi sp r o g r a m m e db yv h d la n ds i m u l a t e db yf o u n d a t i o ns e r i e s a tl a s tt h e a dc o n v e r s i o na n d 血em i c r o p r i n t e r o ft h es e r i a lp o r ta r ef i n i s h e d k e y w o r d s h e m a t o l o g ya n a l y z e r ，d s p ，t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，c p l d ，c c ，v h d l ，f o u n d a t i o n 第2 页 堕室堕至堕丕奎堂堡主兰堡堡茎 第一章、绪论 1 1 、血液分析的作用和意义 血液是人类生命的源泉，是维持人体正常活动的重要物质，它向全身各组织供应 氧分，调节各器官的生命活动，抵御有害物质和病菌的侵害，常被称为“生命之河”。 人类生理和病理的变化，往往会引起血液组成的变化，因此血液的组成是否正常是健 康的首要标志，及时了解血液组成的变化，可以为医生提供诊断与治疗疾病的重要的 依据。血细胞计数( 也称为血球计数) 是了解血液组成变化的一种基本方法。血细胞自 动分析仪也称为血液分析仪，是分析血液中各项指标含量的主要医疗仪器，是大小各 级医院的必备医疗分析仪器之一。 1 2 、血液分析仪在我国的发展现状 医疗仪器隶属消费电子范畴，是衡量人民生活质量的一项重要标志，对国民身体 素质的提高起着巨大的作用。血液分析仪在我国的发展大约经历了三个阶段： 第一阶段是起步阶段。6 0 年代中期我国研制出电子管式血细胞计数器，这种仪器 的问世实现了计数方法的革新，但结构庞大，故障率高，未能推广使用； 第二阶段是发展阶段。根据国外资料生产出晶体管式血细胞计数器，采用水银压 力计式定量装置，手工操作量大，容易产生误差，出现故障难以堂找，这类仪器有过 批量生产，为厂家积累了生产经验； 第三阶段是引进阶段。8 0 年代中期以来，北京生化仪器厂的p c 一6 0 3 型和辽宁无 线电七厂的p c 7 0 3 型都是从日本e r m a 公司引进的产品，这类产品以实现无水银定 量装置和微机控制，能完成故障自检，提高操作自动化程序。由于血小板体积较小， 对消孔检测器有特殊要求，p c 6 0 3 型仪器不能测量血小板。厂家专门设计了p c 6 0 4 型仪器，作为专测血小板的仪器。该仪器管路系统与6 0 3 型相仿，但省却了血红蛋白 的测量系统，电路系统也与6 0 3 型相似，但增加了温度补偿电路，全机仍用微机( z 8 0 a ) 控制，具有自检功能，计数精度小于5 ，完全满足临床检验要求。这些产品厂家己 做到了部分国产化。 1 3 、血液分析仪的发展方向 发达国家普遍具有先进的医疗仪器设备，目前，世界上先进的医疗仪器主要来自 美国、日本、欧洲，他们生产的血液分析仪普遍采用了世界最新技术，运用大规模集 成电路，使仪器具有8 至1 6 项检测功能，且外观小巧，使用方便，主要有： 日本东亚( s y s m e x ) 医用电子株式会社的c c 一1 0 8 1 3 0 1 5 0 1 7 0 1 8 0 它们分别 第1 贝 多指标血液分析仪的研制 能给出2 3 1 5 7 1 8 项参数，其中c c 1 8 0 可以测血小板。1 9 8 7 年以来该公司又推出了 f - 3 0 0 5 0 0 8 0 8 2 0 ，它们分别能给出3 5 和1 5 项参数，还有k 1 0 0 0 ，可以给出1 8 项 参数，并设内稀释，在结构上一是将面板全部改成薄膜式按键，二是将小型打印机和 主机设计为一体，将c c 型打印机、主机、稀释器三大结构变成主机与稀释器两件式 结构或变成一组式结构，并且计算机的功能也进一步得到了加强。东亚公司的产品由 于其功能性强，性能稳定，故障率低等特点，在国内占有一定的市场。 日本光电株式会社的m e k 1 1 0 01 2 0 03 1 0 04 1 0 04 2 0 0 4 3 0 04 4 0 04 5 0 0 型，它们分 别能给出2 4 5 2 5 8 8 8 项参数。其中m e k 4 4 0 0 以前型号均不带打印机，m e k 4 1 0 0 以后型号均为平面薄膜按键，并内设有稀释器。后三种型号仪器均能测定血小板， m e k 一4 3 0 0 为单d , t k 管测定。m e k 4 4 0 0 型只能同时测定血小板之外的七个项目，血 小板需另测一次。本文分析的就是m e k 5 2 0 8 型血液分析仪，可以精确测定血液的8 个项目。 日本e r m a 除了p c 6 0 3 外，还有p c 6 0 2 6 0 4 6 0 8 等，它们分别给除2 4 8 项参 数，英国库尔特早期产品有z f 型，后期有m 5 0 3 型，c b c 5 型，t 系列t 5 6 0 1 6 6 0 1 8 9 0 ( 分别检测7 8 1 0 项目) ，j t 系列( 可检测1 4 到1 6 项) 。 其它还有美国的b e k e r公司的s e r i s l 0 3 1 5 0 7 0 0 ， c e l l d y n 3 0 0 5 0 0 7 0 0 9 0 0 1 5 0 0 2 0 0 。d a n m a 公司的v e c t o r 一5 6 8 、瑞士c o n t r v e s 的3 l o o 型、瑞士s w e l a 公司生产的a c 9 0 0 型( 可检测1 8 项参数) 等。 血液分析仪的发展方向主要有两个方面：一是自动化，目前稀释工作仍需医务人 员来做，有些机器还不具备打印功能，如将稀释、打印与主机合为一体，完成自动诊 断，自动稀释，自动测量，自动打印，自动清洗，就将大大简化操作。二是多功能化， 国外有些机器增加计算机功能后能给出各类异型细胞比例，粒度分布幅度等8 1 6 项 参数；另一种较新式的机器如e m 2 5 0 0 0 血细胞计数分析机与各种显微镜相配合，能 对4 0 余种骨髓细胞进行分类计数，突破了变阻法计数的局限性，具有广阔的应用前 景。 第2 页 童室堕至堕墨盔堂塑主堂焦堕塞一 第二章、血液分析仪的原理简介 2 1 、血液的基本组成 血液由血浆和血细胞组成，血浆是血液的液体部分，除了水之外，还含有多种化学 物质，血细胞包括红细胞、白细胞和血小板，其中，红细胞的数量最多。血液的基本 组成如表： 血液 ( 全血) 血细胞 ( 4 5 ) 、血浆 ( 5 5 ) 红细胞 ( 内含血红蛋白) r 中性粒细胞 厂有粒白细胞嗜酸性粒细胞 l 嗜碱性粒细胞 白细胞 2 f o ， 绝对满足奈奎斯特采样定理) 产生信号，再进行分析便可以得到所需的t s 的值。 用m a t l a b 编写函数来产生所需的信号，由于脉冲形状不规则，宽度较窄且均为 第2 8 页 堕室堕窒盟鲞盔堂堡主兰焦堡墨一 正脉冲，因此用正弦波的正半周来近似。函数见附录七，产生的信号波形如下： 3 一一 ：；船l _ m l il 褂 图1 2 ：m a t l a b 产生的信号 i i ) 峰值保持电路的仿真 峰值保持是一种特殊的采样保持电路。它的采样和通常的采样保持电路有所不 同。峰值检波器的采样与保持并不完全由采样指令分成采样期和保持期。这种电路的 控制信号称为复位指令。在复位信号不出现期间，输出信号能自动跟踪输入信号的峰 值，并自动将该峰值信号保持。即输出信号只随输入信号的增大而增大，当输入信号 减小时，输出信号保持原值。一直等到复位指令出现，输出信号立即复零，并随即开 始下一次的峰值检波。 图1 3 ：峰值检波器的特性不恿幽 峰值检波器可以用来分析瞬变波形和周期波形，在气体色谱分析和质谱分析中都 有应用。峰值检波器对元件性能的要求与采样一保持电路基本相同。 简单的峰值检波器是由半波整流电路，存储电容和缓冲放大器组成的反馈电路， 在存储电容上还并有一只复位开关。峰值检波器有两种电路结构：一种是同相型，一 种是反相型。 第2 9 更 多指标血液分析仪的研制 同相型峰值检波电路，如图1 4 ，运算放大器a 1 具有半波整流结构，a 2 组成电压跟 随器，在存储电容和输出负载值间起缓冲作用，有u s c = u c 。当u s c u s r ，d l 导通， d 2 截止，存储电容c 与a l 之间联系隔断，u s c = u c 不再跟踪u s r ，保持过去检出的u s r 得峰 值。d l 的导通为a 1 提供反馈通路，防止a l 过载。当复位指令u 出现，t 导通，c 放电， u c 回零：u 消失后，又开始新的峰值检波过程。反相型电路的工作原理与同相型类似， 不再重复。 图1 4 ：同相输入式峰值检波器 上述两个电路的主要优点是简单，但工作速度都不太高，主要原因与采样一保持 电路相同，是由于运算放大器的带宽过窄，上升速率s r 和输出电流有限造成的。例如， 当s r = l o v u s ，被检单脉冲幅度为6 v ，脉宽为5 0 0 n s ，则在5 0 0 n s 内，a 1 提供的输出电压 仅为5 v ，若d 2 压降为0 7 v ，n c 上电压才4 3 v ，此单脉冲的读数等于实际输入峰值的 7 1 。若其他参数不变，仅脉冲幅度变为i o v ，则读数误差降大于5 0 。又如，假设s r 足够大，但最大输出电流为l o m a ，在c = o 0 i u f 的条件下，由u c = i t c 可知，为使电容 电压上升到l v 所需的时间为1 u s 。这样，运算放大器的性能有限，使这类电路的工作 速度不高，特别不适用于单脉冲信号的峰值检波。 为了提高电路的稳定储备和改善瞬态响应，常常需要加入校正电路，如图1 4 中用 虚线表示的电容c 1 和c 2 ，但这种方法仅对一定形状的脉冲和重复频率有效。电路中电 阻r 的作用于采样一保持电路相同，用来保护组件。 由于细胞脉冲是随机的，非周期性的，故必须添加复位脉冲产生机制，这可以通 过单稳延时电路来实现。在每个脉冲结束的下降沿触发单稳产生一个脉冲，脉冲宽度 大约在 o u s ，1 0 u s 脉冲的下降沿再次触发单稳产生另一个脉冲，宽度为3 u s ，这就是 复位脉冲，l o u s 的脉冲用来延时保持细胞脉冲的峰值，使得a d 转换得以完成。 脉冲产生电路是由比较器和一些逻辑电路组成的，如图1 5 所示。 第3 0 页 直室堕至堕墨奎兰堡主兰焦堡塞 比较器将放大滤波之后的信号与某一门限相比较，将信号转变成方波脉冲， 且电 平在0 5v 之间，而逻辑电路这在方波脉冲的上升沿和下降沿分别产生两个窄脉冲，a 端是在上升沿输出一高电平的窄脉冲，b 端是在下降沿输出一高电平的窄脉冲。 图1 5 ：脉冲形成电路 这两窄脉冲可以去控制积分器和a d 变换器等部分的工作，如进行积分器的电容 的充放电控制，a d 的变换启动及通知d s p 读取数据等动作。 综合起来的仿真电路如图1 6 ，当输入3 0 k h z 的正弦脉冲时，输出仿真结果如图 1 7 。 图1 6 ：比较及峰值检波电路 第3 1 页 垒! 兰堡堕壅坌堑垡堕婴型一一 图1 7 ：峰值保持的仿真结果 由上图仿真结果可以看出r 与c 的选择是峰值保持效果好坏的关键。r c 值过小， 放电速度快，峰值保持时间太短；r c 值过大，放电速度长，跟踪慢，峰值保持不住。 可根据实验的结果选择合适的r 、c 值。 4 4 、模拟部分的实现 4 4 1 、微弱信号处理的实现 血细胞计数部分放大倍数大，精度要求高，特别是与传感器的接口，前级输出与 后级输入阻抗必须匹配才可以有效的将传感器所拾取的信号放大，要求各级放大、比 较环节均具有高输入阻抗。 拟采用仪表放大器( i n s t r u m e n ta m p l i f i e r ) 进行放大处理。仪表放大器是一种闭环 增益组件，具有差分输入和相对参考端的单端输出。通常情况下，两个输入端阻抗平 衡并且阻值很高，典型值大于1 0 9 q ，是一种经过优化处理的精密差分电压放大器件。 它与运放不同之处在于：仪放使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。 单片仪表放大器的放大增益可设置在0 1 1 0 0 0 0 之间，增益的调整通过调整两个 电阻的比率即可实现。典型的仪表放大器有a d i 的a d 5 2 4 等。 第3 2 页 南京航空航天大学硕士学位论文 4 4 2 、峰值保持电路的实现 峰值保持电路中的运放拟采用t l 0 7 2 ，这是个高输入阻抗、低功耗、宽共模、 差模电压范围、低输入电流偏移、低噪声、低总谐波失真、内部频率补偿、高摆动率 1 3v d s 的运算放大器，可以满足峰值保持性能的要求，还可用作比较、滤波电路。 复位开关要用到模拟开关，必须根据触发脉冲的频率，选择速度足够快的模拟开 关。采用m a x i m 的s p s t ( s i n g l ep o l es i n g l et h r o w ) 单刀单掷c m o s 模拟开关 d g 2 1 1 ，常开型，最大关闭速度5 0 0 n s ，最大开启速度1 0 0 0 n s ，因此最高工作频率为 三= “6 6 7 1 0 5 h z = 6 6 7 k h z ，远大于平均细胞脉冲频率，可将因 r 5 0 0 + 1 0 0 0 ) n s 15 缈 脉冲频率过高而造成的采样误差降到很小。 电路图见附录二。 第j 3 页 多指标血液分析仪的研制 第五章、血液分析仪数字部分的研制 5 1 、对原有数字电路系统的分析 5 1 1 、硬件分析 血液分析仪的数字控制与处理部分在主控板上，由微处理器和外围电路构成。 数字系统以微控制器( m c u ) 为核心，通过传感器接受外部信号，经模拟电路处 理成为系统可辨识的数字信号后，发出相应的控制指令，使外设完成功能。 外围配置3 2 ks r a m 和6 4 ke p r o m ，e p r o m 用来存储程序和固定数据，s r a m 用来暂存数据。以中规模集成电路为主的外围电路比较复杂。有键盘控制、显示控制、 串口通信控制等功能电路。由通用可编程扩展并口芯片8 2 5 5 扩展出7 2 个并口，实现 多路外设的控制。另夕 由异步串行通讯口芯片8 2 5 1 实现串口打印和数据传输等功能。 如图1 8 ： 幽1 8 ：数字控制流程图 键盘结构为矩阵式。其工作原理为：设有m 月个键，其中m 行由m 个输出端口 控制，n 列由n 个输入端口控制。当某一行输出为低电平时，如果有键按下，则某一 列输入也为低电平，其状态在列输入端口可读到。通过识别行和列线上的电平状态， 即可识别键的闭合与否。1 2 个按键分为四行三列，每一行由一个输出端口控制，三 列每一列由一个m c u 输入端口控制。识别时采用行扫描法：先使第l 行为低电平，其 余行为高电平，然后查询列线电平状态，如果有某一列线变为低电平，则表示第l 行和此列线相交的位置上的键被按下；如果没有一条列线为低电平，则说明第l 行上 没有键闭合。此后，再将第2 行输出为低电平，然后再检查列线中是否有变低电平的 第3 4 页 南京航空航天大学硕士学位论文 线。如此往下一行一行的扫描，直到最后一行。 在扫描过程中，当发现某一行有键闭合时，即列线输入中有一位为零时，便可根 据行线和列线的位置，识别闭合的到底是哪一个键。对于组合键，即几个按键同时按 下的情况，只需反复扫描即可。 显示采用l c d 方式，由于采用了l c d 集成驱动器模块，只需八根数据线和两三 根控制线就可以完成控制。 5 1 2 、软件分析 该仪器采用的是8 位m c u ：8 0 8 5 ，外部晶振频率6 1 4 4 m h z ，指令周期1 3 u s ， 该m c u 有三个外部中断引脚，分别接收三种功能的中断请求。程序全部使用汇编语 言编写，反汇编后代码量在5 4 kb y t e s 左右。 通过三个多月的分析，汇编程序通过中断服务主程序实现各功能，由以下四大 部分组成： i ) 主程序 主程序作用是i o 单元、内存单元的初始化，在开机自检完成后，进入等待循环， 等待相应中断。 i i ) 稀释中断子程序 稀释中断是执行稀释操作时产生的中断。中断服务子程序中完成稀释用的各种操 作。 i i i ) 打印中断子程序 当发送或接收准备好时申请该中断。用于完成打印功能的各种操作。 i v ) 定时中断子程序 通过一个可编程时钟控制器产生一个妄，定时中断，一边定时刷新动态显示，一 j z 边检查有没有键按下，并根据按键转入不同的功能处理流程，完成相应的数据处理。 5 2 、数字部分方案与论证 5 2 1 、微控制器 随着数字集成电路技术的发展，控制系统数字化已经成为现实，并发挥越来越大 的作用。数字系统兼容型好，可扩展性强，对器件、环境的依赖小，运用数字技术制 造的微处理器( m p u ) 、微控制器( m c u ) 及各种逻辑集成电路已是现代化的标志之 一。模拟器件虽然也有一些发展，但主要还是运用于“两端”设备( 收发电路) ，除 了器件的功能、精度有所提高外，并没有本质的飞跃。血液分析仪中的模拟电路是经 过实践证明的经典电路，除可以选择精度更高、功能更强的芯片外，并无质的变化。 第3 5 万 多指标血液分析仪的研制 _ h _ 一一 而数字控制和数据处理的发展日新月异，新的研究成果不断运用到实践中来。著名的 摩尔定律描述道：芯片的集成度每1 8 个月增加一倍。随着集成度的增加，整个数字 系统体积越来越小、功能越来越强。m e k 5 2 0 8 型血液分析仪是日本8 0 年代末的产 品，其中有些数字芯片市场上早已淘汰。要研制我国自己的血液分析仪，缩短与世界 先进水平的差距，必须运用新技术加以改造。因此，研制数字控制与数据处理部分是 核心任务。 通过对原有控制板的分析可知：原来用的m c u8 0 8 5 a h 是一款早期的8 位微控制 器，现在取而代之的是各种各样的功能更加完善的通用m c u 。各大厂商推出的形形色 色的通用嵌入式微控制器主要有：8 位字长的5 1 系列，1 6 位字长的1 9 6 系列等等。 对于高精度的控制系统，5 l 的字长短，速度慢，1 9 6 的字长虽然够长，但指令周期还 是嫌长，计算速度不够高，无法满足一些需要实时计算的控制系统的要求。 近二十年以来，伴随着微电子技术、计算技术、和数字信号处理学科的迅速发展， 种新型的微处理器数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 开始崭露头角， 并大放异彩。最先数字信号处理器是用来进行实时信号处理的，由于内置了乘法器及 总线等一些独特的设计，速度快，因此主要被用来做大量的计算，例如f f t 。t i 公司 于i 9 8 2 年推出第一颗通用d s p 芯片：t m s 3 2 0 1 0 ，当年即被权威的电子设计杂志评为 “年度产品”( p r o d u c to ft h ey e a r ) 。t i 至今己推出六代d s p 产品，涵盖各个运用 领域。其中c 2 0 0 0 系列专用于数字电机控制，为实现高速、高性能的控制提供了重要 的选择。 过去，控制领域中单片机( m i c r o c h i pp r o c e s s o r ) 独占鳌头，占据市场的绝大多数 份额。但是随着集成电路技术的发展和市场的扩大，快速的、实时的d s pc o n t r o l l e r ( 数字信号处理控制器) 在要求较高的控制领域越来越多的受到设计者的青睐。 与单片机相比，d s pc o n t r o l l e r 有如下几个优点： 指令周期短，适合实时信号处理，f 2 4 0 的指令周期为5 0 n s 。 数据、程序总线分开，且相互间可以传递数据( 改进的哈佛结构) 。 专用的硬件乘法器，单周期完成乘法。 广泛采用流水线操作。f 2 4 0 用了四级流水线，使大部分指令周期可缩短为单机器 周期。 丰富的片内外设控制模块，包括用于电机控制的p 州单元，双1 0 位模数转换单 元，串行通信接口模块( s c i ) ，用于外设扩展的串行外设接口模块( s p i ) 等等。 血液分析仪的数字部分主要功能是控制各个部分的协调工作，兼带控制步进电机 和一些外设，数据的计算量并不大。如果使用单片机的话，资源比较紧张，另外还需 添加不少专用的控制器，而采用d s p 不但完成各类计算、统计绰绰有余，还有丰富的 片内外设，使系统十分简洁，而且功能强大。 第3 6 页 塑室堕窒堕墨奎茎堕主兰堡丝塞 一 一一 5 2 2 、外部功能电路 血液分析仪丰富的功能是由众多外部功能电路实现的。d s p 虽然有不少在片外设， 但仍然无法满足全部功能的需求。8 2 5 5 、8 2 5 1 之类的扩展芯片集成度低、功能单一， 不符合高性能的要求。因此，选用复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 实现外部功能。 早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器( p r o m ) 、紫外线可擦除只读存贮 器( e p r o m ) 和电可擦除只读存贮器( e e p r o m ) 三种。由于结构的限制，它们只能完成 简单的数字逻辑功能。 其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件( p l d ) ，它能 够完成各种数字逻辑功能。典型的p l d 由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任 意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以，p l d 能以乘积和的形式完成 大量的组合逻辑功能。这一阶段的产品主要有p a l ( 可编程阵列逻辑) 和g a l ( 通用阵列 逻辑) 。p a l 由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出 可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。p a l 器件是现场可编程的，它的实现工艺 有反熔丝技术、e p r o m 技术和e e p r o m 技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可 编程逻辑阵列( p l a ) ，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平 面的连接关系是可编程的。p l a 器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在p a l 的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ) ，如 g a l l 6 v 8 ，g a l 2 2 v 1 0 等。它采用了e e p r o m 工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出 结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。 这些早期的p l d 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其 过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。典型的p l d 结构如下图所示：( 实 现组合逻辑的部分) 为了弥补这一缺陷，2 0 世纪8 0 年代中期。a l t e r a 和x i l i n x 分别推出了类似于p a l 结构的扩展型c p l d ( c o m p l e xp m g r a m m a b i el o g i cd v i c e ) $ 1 与标准门阵列类似的 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成 度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了p l d 和通用门阵列的优点，可实现 较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它a s i c ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i c 【c ) 相比， 它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、 第3 7 页 查堂堡坐堕坌堑垡堕婴量! 一一 质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产 f 一般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应用门阵列、p l d 和中小规模通用数字集成电 路的场合均可应用f p g a 和c p l d 器件。 目前可编程器件主要有e e p r o m 和s r a m 两种工艺。e e p r o m 工艺的p l d 密 度小，多用于5 , 0 0 0 门以下的小规模设计，适合做复杂的组合逻辑，如译码。s r a m 工艺的p l d ( f p g a ) ，密度高，触发器多，多用于1 0 ，0 0 0 门以上的大规模设计，适合 做复杂的时序逻辑，如数字信号处理和各种算法。 ( 注：不同厂家的叫法不尽相同，x i 工i n x 把s r a m 工艺，要外挂配置用的e p r o m 的p l d 叫f p g a ，把f l a s h ( 类似e e p r o m 工艺) 工艺的p l d 叫c p l d ：a 1 t e r a 把自己的 p l d 产品：, 、a a x 系列( e e p r o m 工艺) ，f l e x 系列( s r a m 工艺) 都叫作c p l d ，即复杂 p l d ( c o m p l e xp l d ) ，由于f l e x 系列也是s r a m 工艺，要外挂配置用的e p r o m ，用法和 x i l i n x 的f p g a 一样，所以很多人把a l t e r a 的f e l x 系列产品也叫做f p g a ) f p g a ( 现场可编程门阵列) 与c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 都是可编程逻辑器件，它 们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的p a l ，g a l 等相比较，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。目前有多家公司生产c p l d f p g a ，最大的三家是：a l t e r a ，x i l i n x ， l a t t i c e v a n t i s 。全球p l d f p g a 产品6 0 以上是由a 1 t e r a 和x i l i n x 提供的。可以 讲a 1 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。 尽管f p g a ，c p l d 和其它类型p l o 的结构各有其特点和长处，但概括起来，它们是 由三大部分组成的： 一个二维的逻辑块阵列，构成了p l d 器件的逻辑组成核心。 输入输出块。 连接逻辑块的互连资源，连线资源由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编 程的连接开关，它们用于锣辑块之间、逻辑块与输入输出块之间的连接。 图1 9 ：典型的p l d 的框图 c p l d 与f p g a 的区别在于：f p g a 主要由函数发生器( f g ，通过查表实现) 、进位逻 第3 8 页 南京航空航天大学硕士学位论文 辑、和触发器构成。而c p l d 主要由可编程与门、固定阵列的或门、进位逻辑和触发 器构成。c p l d 的时延容易预测，f p g a 比较困难。f p g a 实现大规模时序逻辑很方便， 比如各种状态机。c p l d 的最大好处是不需要上电加载。另外，实现复杂逻辑时，c p l d 从速度和规模上都不及f p g a 。 对用户而言，c p l d 与f p g a 的用法一样。在做小规模电路时，c p l d 的使用更方便。 因此选用c p l d 。 5 3 、d s p 集成开发环境c o d ec o m p o s e r 简介 5 3 1 、c c 的安装与使用 d s p 的软件编程采用t i 最新的c o d ec o m p o s e r 4 1 0 c 2 x x ，简称c c 。c c 作为一 套w i n d o w s 环境下的集成开发软件，具备了很多新的特性，并有良好的可扩充性。 c c 将传统的d o s 版本的各个分散的编译工具集成到一个环境下，通过菜单灵活的选 择各种工具，实现了友好的人机界面。而且c c 在调试工具中增加了探针( p r o b e ) 、 剖视( p r o f i l e ) 等工具，并增加了最新研究成果实时技术( r e a l t i m e ) ，能够实时监 视程序的运行状况。在编程语言上不但支持汇编和c ，还引入了一种通用扩展语言 ( g e l ) ，用来完成初始化等操作。 c o d ec o m p o s e r4 1o c 2 x x 使用的是c 2 x c 2 x x c 5 x 代码生成工具集7 0 ( c o d e g e n e r a t i o nv 70t o o l s e t ) 推荐软件运行环境： p e n t i u m1 3 3 以上或兼容型号 m i c r o s o f tw i n d o w s9 5 ，9 8 ，n t 4 ，0 以上 1 0 0 兆以上硬盘空间 3 2 兆以上内存 n e t s c a p en a v i g a t o r 3 0 或i n t e m e te x p l o r e r 30 以上 s v g a ( 8 0 0 6 0 0 ) 显示 安装过程： 1 、安装之前，卸载所有不同版本的c c 、c c s ，并从注册表中删除与之有关的 主键值。 2 、从原版安装光盘上安装c c 软件。 3 、安装中泰康的i c e 5 i o o p p ( 并口调试) 仿真器驱动软件 4 、重启计算机，进入s e t u pc c c 2 0 0 0 设置程序，在a v a i l a b l eb o a r d s i m u l a t o r t y p e 上添加相应的驱动程序，完成后会出现与驱动程序对应的仿真板 5 、将该仿真板拖动至l j s y s t e mc o n f i g u r a t i o n 栏中。 6 、保存设置并退出。 第3 9 页 多指标血液分析仪的研制 使用方法： i 、i c e 5 i o o p p 仿真盒的一端接计算机并口，另一端为j t a g 接口，连到开发板上的j t a g 仿真口上。开发板接通5 v 电源，指示灯亮，说明电源己加上。运行c c 主程序，即进 入开发集成环境，如图2 0 。 2 、从菜单上选择p r o j e c t - - n e w ，建立一个新的工程，确定个名字，此工程名后缀 为m a k 。选择p r o j e c t - - o p e n ，打开一个已存在的工程。 3 、若是建立新工程的话，在编辑窗口中编辑源程序，并保存到该工程的目录下。 4 、从菜单上选择p r o j e c t - ) a d df i l e st op r o j e c t ，或右击工程文件名，选择a d df i l e s ， 加入刚刚编辑的源程序文件。 5 、编写命令文件。命令文件用来连接并分配存储空间。 6 、从菜单上选择p r o j e c t - - - s c a na l ld e p e n d e n c i e s ，或右击工程文件名，选择s c a na l l d e p e n d e n c i e s ，加载所有用到的头文件和库文件。 7 、选择p r o j e c t - - ) r e b u i l da l l ，或点击r e b u i l da l l 按钮，编译工程中的所有文件。 8 、屏幕下方自动出现w a t c hw i n d o w ，显示编译信息。错误用红色显示。如果有错， 改正源程序，知道编辑完全无错通过为止。 9 、选择f i l e - - ) l o a dp r o g r a m ，选择刚刚生成的输出文件( o u t ) 。右边屏幕自动切换到 d i s a s s e m b l y 窗口，显示汇编程序，并高亮线是当前即将执行的语句。 1 0 、选择d e b u g - ) r u n ，或点击r u n 按钮，或按f 5 ，连续运行程序。f i o 单步执行。 图2 0 ：c c 主界面 第4 0 页 南京航空航天大学硕士学位论文 5 3 2 、c c 的新功能与发展： t i 已推出最新的e x p r e s s d s p c 2 0 0 0 开发平台。e x p r e s s d s p “实时软件技术是德 州仪器( t i ) 屡获业界颁奖肯定的软件平台，现在，t i 又扩大了e x p r e s s d s p 的应用范 围，宣布推出业界第一套可支持数字电机控制的d s p 开放软件平台。e x p r e s s d s p 技 术的完整扩充针对数字电机的控制应用，支持c 2 0 0 0d s p 平台，并支持所有常见的电 机及其控制功能，包括交流感应电机、无刷直流电机、交换式磁阻电机以及永磁同步 电机。针对电机和运动控制应用，新软件平台提供了算法标准以及外挂工具。新软件 平台提供了系列基本的模块化软件解决方案，用户可根据自己的特定要求，以此为 基础对系统进行优化，使d s p 电机控制软件的开发更简单。让产品开发更简单的软件 接口标准以可编程d s p 为基础的实时数字控制，不但可支持范围更广的电机驱动应 用，还可增加控制系统的效率、降低噪声、并且减少产品的总成本。 5 4 、c p l d 的开发与环境 5 4 1 、v h d l 设计概述 随着p l d f p g a 设计越来越复杂，使用语言设计复杂p l d f p g a 成为一种趋势，目 前最主要的硬件描述语言是v h d l 和v e r i i o g h d l 。v h d l 发展的较早，语法严格，而 v e r i l o gh d l 是在c 语言的基础上发展起来的种件描述语言，语法较自由。两者相 比，学习v h d l 比较困难，很难在较短的时间内真正掌握。但在国内，v h d l 的参考书 很多，便于查找资料，而v e r i i o g h d l 的参考书则很少，这给学习v e t i l o g h d l 带来不 少困难。在真正的p l d f p g a 设计中，通常建议采用原理图和h d l 结合的方法来设计， 适合用原理图的地方就用原理图，适合用h d l 的地方就用h d l ，并没有强制的规定。 在最短的时间内，用自己最熟悉的工具设计出高效，稳定，符合设计要求的电路才是 我们的最终目的。 v h d l 的英文全名是v e r y h i g h s p e e dr n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r e d e s c r i pc i o n l a n g u a g e ，诞生于1 9 8 2 年。1 9 8 7 年底，v h d l 被i e e e 和美国国防部确认为标准硬件描 述语言。自i e e e 公布了v h d l 的标准版本( i e e e 一1 0 7 6 ) 之后，各e d a 公司相继推出 了自己的v h d l 设计环境，或宣布自己的设计工具可以和v h d l 接口。此后v h d l 在电 子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1 9 9 3 年，i e e e 对v h d l 进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展v h d l 的内 容，公布了新版本的v h d l ，即i e e e 标准的1 0 7 6 1 9 9 3 版本。现在，v h d l 和v e r i l o g 作为i e e e 的工业标准硬件描述语言，又得到众多e d a 公司的支持，在电子工程领域， 已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，v h d l 与v e r i l o g 语言将承担起几乎全部的数字系统设计任务。 v h d l 主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件 第4 i 玎 多指标血液分析仪的研制 特征的语句外，v h d l 的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级 语言。v h d l 的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体( 可以是个元件， 一个电路模块或一个系统) 分成外部( 或称可是部分，及端口) 和内部( 或称不可视 部分) ，既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面 后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体 分成内外部分的概念是v h d l 系统设计的基本点。应用v h d l 进行工程设计的优点是多 方面的： ( 1 ) 与其他的硬件描述语言相比，v h d l 具有更强的行为描述能力，从而决定了他 成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结 构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 ( 2 ) v h d l 丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计 系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。 ( 3 ) v h d l 语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分解 和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效、高速的完成必须有多人 甚至多个开发组共同并行工作才能实现。 ( 4 ) 对于用v h d l 完成的一个确定的设计，可以利用e d a 工具进行逻辑综合和优化， 并自动的把v h d l 描述设计转变成门级网表。 ( 5 ) v h d l 对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管 理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。 用v h d l v e r i i o g h d l 语言开发c p l d f p g a 的完整流程为： 1 文本编辑：用任何