（信号与信息处理专业论文）基于fpga的脑电信号采集系统设计.pdf

d e s i g no ft h ee l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ( e e g ) a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d o nf p g a n i e y u n j i e u n d e rt h es u p e r v i s i o no f l i n 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 f j i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y , 2 0 1 2 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已经发表或 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：薮厶友日期：矽i 砰乡月矽目 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。 圉丞开口保密( _ 年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：象湖韭导师签名：专金暾日期：易? 砗硐矽团 济南大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 研究的背景和意义。1 1 2 脑电信号的产生和分类2 1 2 1 自发脑电2 1 2 2 诱发脑电3 1 3 脑电信号的采集和记录3 1 4 研究的内容及目标4 第二章f p g a 及其开发技术简介7 2 1f p g a 技术概述7 2 2f p g a 开发简介8 第三章系统方案设计1 3 3 1 系统整体方案设计1 3 3 2f p g a 内系统设计。1 4 3 3 系统特点1 5 第四章系统硬件设计1 7 4 1 系统电源设计1 7 4 2 前置放大电路设计1 9 4 3 滤波电路设计。2 3 4 3 1 高通滤波器2 4 4 3 2 低通滤波器2 5 4 3 3 工频陷波电路2 7 4 4 后级隔离放大电路2 9 4 5a d 电路设计31 4 5 1a d 转换原理介绍31 4 5 2 电压抬升电路设计3 2 4 5 3a d 转换电路设计3 2 4 6 外部存储器电路设计3 4 4 6 1s d 洲存储电路3 5 基于f p g a 的脑电信号采集系统设计 4 6 2f l a s h 存储器电路3 6 4 7t f t 真彩屏控制电路设计3 7 4 8f p g a 配置电路设计3 7 4 9u s b 接口电路3 9 第五章f p g a 程序设计41 5 1a d 7 9 2 0 控制器设计4 2 5 2f i r 滤波器设计4 4 5 2 1f i r 滤波器介绍4 4 5 2 2f p g a 内f i r 滤波器实现4 4 5 3t f t 控制器i p 核设计4 6 5 4u s b 接口控制器程序设计4 9 5 5n i o si ii d e 环境下软件设计5 2 5 5 1t f t 显示程序设计5 2 5 5 2t f t 触摸控制程序设计5 4 第六章上位机软件设计。5 7 6 1u s b 读写数据设计5 7 6 2 脑电波形显示设计5 9 第七章总结与展望6 1 参考文献6 3 至| 【谢6 7 附勇乏6 9 一、在校期间发表的学术论文6 9 二、在校期间参加的项目6 9 三、在校期间获奖情况6 9 i i 济南大学硕士学位论文 摘要 2 1 世纪是生物科学、脑科学的时代。作为一种典型的生物电信号，脑电信号包含了 丰富的生理与病理信息，在当今的医学研究及其他科学领域当中，正越来越引起人们的 重视【n 。脑电信号的获取一般是通过专用的电极，电极输出的微弱脑电信号首先经过放 大、隔离、滤波之后，再进行记录和处理分析。 本文首先分析了脑电信号研究现状及发展趋势，在此基础上详细介绍了一套基于 f p g a 的的脑电信号采集系统，该系统具有集成度高，速度快，灵活性好，实用性强的 特点。符合现代脑电信号研究的发展趋势，满足现代脑电信号研究提出的新要求。 脑电信号的有效频率范围主要集中在o 5 3 0 h z ，幅度在1 0 u v - 1 0 0 u v 之间，极易受 到工频噪声，肌电噪声等的干扰，湮没在噪声信号中。对此本系统设计了模拟滤波电路 对信号进行模拟滤波处理，主要包括3 5 h z 低通滤波器、0 3 h z 高通滤波器以及5 0 h z 工 频陷波器，同时在f p g a 中设计f i r 数字滤波器对信号进行数字滤波，以得到纯净的脑 电信号。系统以f p g a 作为核心处理器，脑电信号经过放大、滤波、隔离之后，进行 a d 采样，为了能够捕捉到脑电信号的更多细节，系统采用a d 7 9 2 0 作为a d 转换器， 每一导联的采样频率设为4 0 0 h z 。经过数字滤波器处理过的脑电信号进入f i f o 缓存， 然后在f p g a 控制下经过u s b 接口传输到p c 机，我们在p c 机上设计上位机应用程序 来存储u s b 接口接收的脑电数据并绘制脑电波形图。同时该设备还设计了t f t 液晶屏 接口，虚拟键盘作人机交互界面，同时可以通过液晶屏观察脑电信号，方便快捷。 关键词：脑电信号；f p g a ；f i r 数字滤波器 i i i 原书为白 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e21 轧c e n t u r yi st h ee r ao fb i o l o g i c a l s c i e n c e sa n db r a i ns c i e n c e a so n eo ft h et y p i c a l b i o l o g i c a ls i g n a l s ，t h ee l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h ( z e g ) c o n t a i n sal a r g en u m b e ro fp h y s i o l o g i c a l a n dp a t h o l o g i c a li n f o r m a t i o n ，w h i c ha l eb e c o m i n gb e e ns t u d i e dm o r ew i d e l yi nt o d a y s m e d i c a la n do t h e rs c i e n t i f i cf i e l d s t h ee e ga c q u i s i t i o ni s g e n e r a l l yt h r o u g had e d i c a t e d e l e c t r o d e ，t h ew e a ke e gs i g n a lf i r s tp a s s e st h r o u g ht h ea m p l i f i c a t i o n ，i s o l a t i o n ，f i l t e r i n g ，a n d t h e nw ec a r ld or e c o r d i n ga n d p r o c e s s i n ga n a l y s i st oi t t h i sp a p e ra n a l y z e st h er e s e a r c hs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h ee e g , a n dt h e n i n t r o d u c e das e to fe e g a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nf p g a t h es y s t e mh a st h ef e a t u r e so f m g hi n t e g r a t i o nd e n s i t y , g o o df l e x i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y i ti si nl i n ew i t ht h ed e v e l o p m e n t t r e n d o fm o d e me e ga n dm e e tt h en e w r e q u i r e m e n t so fm o d e r n e e g t h ee f f e c t i v ef r e q u e n c yr a n g eo ft h ee e gi sg e n e r a l l y0 5 3 0 i - i z ，t h ea m p l i t u d ei si nt h e r a n g eo fb e t w e e n l0 u v - 10 0 u v ，i ti sp r o n et oi n f l u e n c i n gf r o mn o i s es u c ha st h ep o w e r f r e q u e n c yn o i s e ，e m gn o i s ea n ds oo n ，a n dl o s ti nt h en o i s es i g n a l t h i ss y s t e md e s i g n st h e a n a l o gf i l t e rt os u p p r e s si n t e r f e r e n c e s ，i n c l u d i n gt h e35 h zl o w - p a s sf i l t e r , t h e0 3 h zh i g h - p a s s f i l t e ra n dt h e5 0 h zf r e q u e n c yn o t c hf i l t e r , a tt h es a m et i m e ，w ed e s i g n st h ef i rd i g i t a lf i l t e r b a s e do nt h ef p g at of i l t e ro u tt h er e s t r a i nn o i s ea n dg e tt h ep u r ee e gt h es y s t e mu s e dt h e f p g aa st h ec o r ep r o c e s s o r ，t h ee e gs i g n a la f t e ra m p l i f i c a t i o n ，f i l t e r i n g ，i s o l a t i o n ，a n dt h e n e n t e ri n t ot h ea dc o n v e r t e r , i no r d e rt ob ea b l et oc a p t u r em o r ed e t a i l so ft h ee e g s i g n a l ， t h es y s t e mu s e st h ea d 7 9 2 0a dc o n v e r t e ra n ds e tt h es a m p l i n gf r e q u e n c yo fe a c hg u i d et o 4 0 0 h z ，t h ee e gs i g n a la f t e rd i g i t a lf i l t e re n t e ri n t ot h ef i f ob u f f e r , a n dt h e na r es e n t t ot h e p ct h r o u g hu s bi n t e r f a c ei nt h ec o n t r o lo ft h ef p g a t h ep ca p p l i c a t i o nr e c e i v et h ee e g s i g n a ld a t av i at h eu s bp o r ta n dd r a wt h eb r a i ne l e c t r i c a lw a v e f o r md i a g r a m p l u s ，t h es y s t e m i se q u i p p e d 研t l lt h el c d i n t e r f a c e ，w ec a no b s e r v eb r a i nw a v eg r a p ht h r o u g h i t k e yw o r d s ：e e g ；f p g a ；f i rd i 西t a lf i l t e r v 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 脑神经细胞群存在着非常频繁的生理电活动，生理电活动反映在大脑皮层中， 就形成了脑电信号，其包含了大量的生理与病理信息【2 】。作为一种安全，无创伤的 医学检测方法，脑电波检测在如今脑部疾病监测以及临床应用中越来越广泛，同 时脑电信号在认知科学的研究中也起着不可或缺的作用。 目前的脑电采集分析系统一般是微处理器+ 外围电路+ p c 机的模式，底层脑 电信号数据处理依靠完全独立的数字信号处理芯片来完成，系统集成度低，稳定 性差。此外，传统脑电图采集系统大都采用模拟滤波或模拟滤波加p c 机软件滤 波的方式，单纯的模拟滤波不能保证信号的的滤波效果，而p c 机软件滤波则实 时性不强。 数字滤波具有处理精度高，稳定性好，方便灵活的特点，基于此本系统采用 模拟滤波加数字滤波的方式，保证信号纯净度的同时，提高了系统的实时性。 1 1 研究的背景和意义 2 1 世纪是世界公认的生物科学、脑科学的时代，作为一种无创检测手段， 脑电信号的研究涉及到多个领域，如心理学、神经生理学、社会心理学、认知科 学等等。在最初的脑电信号研究中，受到当时信号采集及分析技术的限制，脑电 信号分析只能采取目视分析，由于脑电信号非常微弱，并且极不稳定，仅靠目视 分析很难在复杂的脑电信号中提取出有意义的信号【3 1 ，得出有意义的结论。随着 科学技术的发展，尤其是随着电子技术的发展，脑电信号的采集和分析越来越精 确，从当初的1 导联，发展到今天1 6 导联、6 4 导联，甚至2 5 6 导联，对脑电信 号的分析也从当初的目视阶段发展到如今的频谱分析、脑电地形图等多种方式， 同时也得出了很多有意义的结论【4 】。 国内临床使用的脑电图仪，已经从早期价格低廉，使用纸张的模拟脑电仪， 发展到目前广泛使用的利用电脑进行显示，分析和存储波形数据的数字化脑电图 仪。 在国外，脑电信号除了在临床诊断中得到广泛应用外，也在其他学科研究中 起到重要作用，仪器硬件更加先进，功能更加强大。在技术上处于领先地位。近 基于f p g a 的脑电信号采集系统设计 十几年来，一个新的脑电研究方向：脑计算机接口，更引起了国际脑科学领域 的广泛关注。脑计算机接口旨在通过分析脑电信号波形来识别大脑当前的思维状 态，进而使人类可以通过思维就可以与外界进行沟通、交流。 从目前国内外的发展情况来看，脑电图仪已然朝着数字化、智能化、便携式 的方向发展【5 1 。结合脑电研究技术的发展需求，本系统采用f p g a 作为核心处理 器，与传统的脑电图机采用单片机或d s p 作处理器相比，一方面利用f p g a 的 并行性，多通道信号数据同时处理，提高了系统的实时性，另一方面利用f p g a 替代了很多传统分立数字元器件和数字信号处理芯片，提高了系统的集成度和稳 定性。同时本系统配备了t f t 液晶屏接口，可以在t f t 上显示脑电波形，方便 简捷。 1 2 脑电信号的产生和分类 自从1 9 2 4 年德国科学家h a n s b e r g e r 第一次发现了脑电波的存在，人类对脑 电信号的研究就一直未停止过。人的大脑皮层存在着数以万计的神经元，这些神 经元的电活动会导致大脑皮层的电位发生变化，这就是脑电波的来源。人脑也是 通过这种电活动来完成各种生理机能的1 6 ，我们也可以通过分析大脑皮层电位的 变化可以得出人体的机能参数。大脑皮层的脑电波本身就非常微弱，经过头骨和 头皮的阻隔之后，能够传导到头皮的信号更加微弱，除非用专用电极和专用的采 集装置，否则很难对其进行捕捉、采集。根据脑电形成的原因，我们将人体的脑 电活动分为两类：自发脑电和诱发脑电。这两种脑电活动已成为目前研究脑电生 理活动和其他应用的主要手段【2 】。 1 2 1 自发脑电 大脑皮层神经元自发的活动会导致大脑皮层的电位也会随时间不断发生变 化，即使在统一时间，不同部位的自发脑电活动的频率和幅度也是不尽相同。我 们用电极提取这种电位波形并加以记录，得到的脑电波形图就是自发脑电。从头 皮提取的自发脑电波形非常微弱，幅度范围只有1 0 1 0 0 u v ，一般在1 0 5 0 u v 左 右。频率范围一般在0 5 3 0 h z 。按照脑电信号的频率划分，一般将自发脑电信号 分为下面几种波形： ( 1 )6 波，频率范围o 5 4 h z ，振幅为1 0 2 0 u v ，常在额部出现，婴儿和儿童 济南大学硕士学位论文 智力发展不成熟时这种波比较常见，成年人睡觉或极度疲劳状态时也会出 现6 波【7 】，但在正常清醒的成人脑波中很少见。 ( 2 ) 0 波，频率范围仁8 h z ，振幅2 0 - 4 0 u v ，在颞叶，顶叶出现较多，是中 枢神经系统抑制状态的表现，一般困倦或精神抑郁时出现【8 】。 ( 3 )q 波，频率范围8 1 2 h z ，振幅一般1 0 1 0 0 u v ，是成人正常脑电波中的 基本节律，q 波在各脑区都会出现，其中以顶枕部最为明显，并且左右对 称。安静及闭眼时出现最多【9 】。 ( 4 )b 波，频率范围1 2 3 0 h z ，振幅5 - 3 0 u v ，以额，颞和中央较为显著，注 意力集中或情绪紧张时出现较多【1 0 1 。 1 2 2 诱发脑电 机体或脑皮质受到某种刺激时，也会导致脑皮层电位发生变化，我们将这 种由于受到刺激或诱导而产生的脑电波形称为诱发脑电。诱发脑电是人体的神经 中枢在受到刺激时的生物电活动产生的波形，从中我们寻找出规律，对人类在脑 部疾病诊断或者认知功能的认识上都有一定的指导意义1 2 】，因此诱发脑电信号的 研究也比较有意义。与自发脑电信号相比，诱发脑电信号更加微弱，幅度只有 0 1 1 0 u v ，很容易湮没在自发脑电信号中，本系统以研究自发脑电信号为主要目 的。 1 3 脑电信号的采集和记录 采集脑电信号的关键是能够从大脑皮层中提取到优质的脑电信号，一般我们 通过脑电专用电极提取脑电信号。脑电电极实际上是一个能量转换装置，电流在 人体和脑皮层内是靠离子传导的，电极的作用就是将其转换成在电路中靠电子传 导的电流并传输到采集系统中，以供下一步对脑电信号进行处理分析。医用电极 有很多种，主要有体内电极、皮下电极、体表电极等。脑电信号是从大脑皮层由 内向外传导到头皮的，因此按照电极能够采集到的脑电信号的幅度来区分的话， 体内电极采集到的脑电波型最好，其次是皮下电极，最后才是体表电极，但由于 体内电极和皮下电极装载比较复杂，必须具有专业技术人员指导才能使用，适用 性不强，体表电极虽然采集到的脑电信号比较差，容易受到噪声干扰。但可以通 过后级电路测处理尽量弥补，且其操作简单，安全系数也比较高，因此多使用体 基于f p g a 的脑电信号采集系统设计 表电极【2 】。 按照电极的作用来划分，电极可以分为参考电极和安放在头皮上的活动电 极，电极的安放位置一般采用国际上广泛采用的l o 2 0 系统电极法f 1 1 】，如图1 1 所示。我们通过记录电极间的电位差来记录脑电信号，按照国际准则，电极安放 有以下几个基本规则： 1 电极的位置应尽量均匀的分布于头颅各个位置。 2 电极位置的名称应结合脑部分区，这样容易使别人更容易理解。 3 一般采用国际通用阿拉伯数字代表电极：奇数代表作半球，偶数代表右半 球，头颅中位为零点，a 1 和a 2 代表作有耳垂。 4 电极位置应根据颅骨标记位置加以确定，并尽可能与头颅大小及形状成正 比。 图1 11 0 2 0 系统电极安放示意图 1 4 研究的内容及目标 本设计在学习和研究基本医疗知识和脑电信号基本理论的基础上，结合电子 信息技术、医疗检测技术、嵌入式系统设计技术、信号与信息处理技术等多种技 术为一体，设计一套实时性好，集成度高，性价比高的脑电信号采集处理系统， 通过该系统，我们能够采集到纯净的脑电信号并能够对脑电波型作简单波形显 示。 从结构上来划分，我们可以将该系统分为三大部分：模拟信号采集处理部分、 数字信号处理部分、p c 上位机应用程序部分，这三大部分有机结合，分工合作， 共同完成对脑电信号的采集和显示工作。 模拟信号采集处理部分是该系统的底层硬件基础，脑电电极采集到的微弱脑 4 济南大学硕士学位论文 电信号通过采集处理电路的放大、滤波、隔离等处理，得到较为纯净，信号幅度 合适的高质量模拟脑电信号。主要由脑电信号采集专用电极、模拟信号放大处理 电路、滤波电路以及光电隔离电路组成。 数字信号处理部分是脑电信号数据处理中心，以f p g a 作为核心数字信号处 理器，接受a d 转换器传输过来的的脑电信号数据，同时对脑电信号数据进行 f i r 数字滤波处理，进一步滤除混杂在脑电信号中的噪声，得到纯净的脑电信号， 最后将脑电信号数据通过u s b 接口实时传输到p c 上位机做波形显示，同时在 底层配备t f t 液晶接口，可以通过t f t 液晶与设备进行人机交互以及显示脑电 波形。 p c 上位机应用程序功能比较简单，主要负责接收f p g a 通过u s b 接口传输 过来的脑电信号数据，并根据数据实时绘制脑电信号波形。 综上所述，本设计预期达到的目标是：完成一套集成化，简单化，成本低的 脑电信号采集系统，能够实时，准确的现实患者的脑电波形，为脑科学研究和脑 电在其他学科中的研究提供更多条件。 基于f p g a 的脑电信号采集系统设计 6 济南大学硕士学位论文 第二章f p g a 及其开发技术简介 2 1f p g a 技术概述 随着微电子技术的快速发展，数字集成电路技术也不断进步，近些年来大规 模专用集成电路( a s i c ) 的出现，逐渐替代了电路设计中电子管、晶体管等分立元 件，降低了产品的生产成本和生产周期，同时也大大提高了系统的集成度，稳定 性和可靠性【1 2 1 。促使电子和嵌入式产品的设计周期也大大缩短。但a s i c 也有自 己的缺点，首先a s i c 的设计周期长，从一款a s i c 芯片开始设计到最后上市销 售，中间需要很长的时间；其次，a s i c 不能满足所有设计者的要求，灵活性差； 此外a s i c 不适合所有的工程应用，a s i c 比较适合用于大型项目，但对于需要 快速投放市场且更新升级快的产品，a s i c 则显的力不从心。可编程逻辑器件就 是在这样背景下产生的。作为一种更加方便灵活的设计方法，硬件工程师可以根 据自己的需要，在实验室可以随时设计、更改芯片内部的大规模数字逻辑，设计 自己的a s i c ，并能马上投入实验和使用阶段。 与传统的电路设计相比，f p g a 具有开发过程投资小、周期短、可反复编程、 保密性好，扩展性强等特点【1 7 】，随着电子制造工艺的不断进步，f p g a 的集成度 越来越高，稳定性越来越好，价格却越来越低，f p g a 已成成为当前数字电路系 统设计的首选方式之一。与此同时，a l t e r a 公司提出的s o p c 的思想的提出以及 数字处理器( d s p ) 内核或中央处理器( c p u ) 在f p g a 中的嵌入使得f p g a 能 够完成大规模数字电路系统设计，也可以作为一个良好的嵌入式系统设计平台。 n i o si i 是a l t e r a 特有的基于通用f p g a 架构的软c p u 内核，它的出现改变 了人们当初使用c p u 的概念，用户可以在a l t e r af p g a 的单板上设计数字电路 系统的同时使用c p u ，而且这个c p u 有着传统的c p u 无法比拟的灵活性。在传 统的嵌入式设计中，c p u 和外设采用分立元器件，在p c b 上互连，大量分立器 件占用了系统的空间，系统的集成度和稳定性也随之下降。通过在f p g a 上嵌入 n i o si i 处理器和外设，只需要一个f p g a 就可实现整个系统，大大提高系统的 集成度和可靠性。 n i o si i 处理器与传统的微控制器不同，设计者可以根据自己的需要，对其 特性和外设进行增加或裁剪。n i o si i 处理器内核可以分为高速性、经济性、普 基于f p g a 的脑电信号采集系统设计 通型3 种类型，用来满足不同设计的需要。一个完整的n i o si i 处理器系统一般 由至少一个n i o si i 处理器内核、a v a l o n 交换总线、系统外设和片内用户逻辑等。 系统中的外设组成。在f p g a 中除了实现n i o si i 处理器系统外，剩余资源我们 可以设计数字系统电路和n i o si i 处理器系统间通信，也可以自己定义n i o si i 系统外设直接挂载在a v a l o n 总线下，实现真正的软硬件协同设计。 2 2f p g a 开发简介 本系统采用软硬件协同设计的解决方案，既有采用硬件描述语言( h d l ) 实现 的控制器模块，也利用s o p c 技术嵌入了n i o si i 处理器，两者相互配合，使整 个设计变得灵活、简单和有效，同时加快了系统的设计速度。 a l t e r a 公司提供的f p g a 开发工具非常完备，主要包括q u a r t u si i 、s o p c b u i l d e r 、n i o si ii d e 和仿真工具等软件【l6 | ，同时还支持很多第三方e d a 工具， 并将其无缝的集成在一起。为嵌入式开发提供了极大的方便。 q u a r t u si i 软件a l t e r a 公司提供的综合开发工具，目前已经推出了多个版本， 它集成了a l t e r a 的f p g a c p l d 开发流程中所设计的所有工具和第三方软件接 口。a l t e r a 自己提供的软件工具包括t e x te d i t o r ( 文本编辑器) 、s c h e m a t i c e d i t o r ( 原理图编辑器) 、m e g aw i z a r ( i p 核生成器) 等，第三方软件指的是其他e d a 厂商提供的工具，比如s y n p l i f y s y n p l i f yp r o 综合工具等，第三方工具一般需要 l i c e n s e 授权使用。q u a r t u si i 图形用户界面如图2 1 所示。 图2 1q u a r t u si i 图形用户界面 济南大学硕士学位论文 在f p g a 设计数字电路系统一般按照设计输入、综合、布局布线、仿真、编 程和配置的步骤依次进行【1 7 】，设计过程图如图2 2 所示。首先以原理图输入或硬 件描述语言( h d l ) 输入方式描述设计者的硬件构思，原理图输入方式比较直观， 但是不利于后期修改和维护，在大型项目设计时，一般采用h d l 设计输入法， 常用的h d l 语言有v h d l 和v e r i l o gh d l 等，用h d l 语言输入，利于模块的 划分、可移植性好、通用性强。输入完成之后，采用q u a r t u si i 自带综合工具 或者第三方工具对设计输入进行综合，生成e d f 或v q m 等标准格式的网表文件 【1 7 】，供布局布线其进行实现，常用的综合工具有s y n p l i c i f y s y n p l i c i f yp r o 、 a m p l i f y 等。在布局布线阶段，设计者利用综合产生的网表文件，将工程的逻辑 和时序要求与器件的可用资源相匹配，并选择相应的互连路径和管脚分配；前面 的设计、综合完成以后，就可以通过仿真验证系统是否满足设计者的功能要求， 仿真一般分为功能仿真和时序仿真，功能仿真只验证电路在理想环境下的行为和 设计者的构想是否一致，并不考虑实际电路的时间延时，时序仿真是在考虑器件 延时的情况下对系统进行的仿真，能够反映出系统的实际运行时的时序效果； q u a r t u si i 成功编译且时序均满足要求之后，就可以对f p g a 进行编程与配置， 首先通过a s s e m b l e r 生成合适的配置文件，之后利用编程器对f p g a 进行编程和 配置。 系统级设计工具主要包括s o p cb u i l d e r 和d s pb u i l d e r 、n i o si ii d e 。d s p b u i l d e r 和n i o si ii d e 单独运行，而s o p cb u i l d e r 集成在q u a r t u si i 环境中，通 过s o p cb u i l d e r ，我们能够根据自己对系统性能和特性的需求方便的定制和修改 自己的n i o si i 处理器系统，s o p cb u i l d e r 自动将外设与n i o si i 处理器通过 a v a l o n 总线相连接。在s o p cb u i l d e r 中也可以集成自己的逻辑时序设计到系统 中，这也是n i o si i 处理器的优势所在，将设计者的逻辑时序设计加到n i o si i 系统中，在s o p cb u i l d e r 中可以通过两种方式实现，一是将自己定义的外设模 块直接挂载到a v a l o n 总线下，这种方式要求设计者对a v a l o n 总线接口的特点和 时序有较深的理解，另一种方式是在n i o si i 系统中留出用户接口，在f p g a 的 顶层模块设计中，将f p g a 中的其他用户逻辑模块与n i o si i 系统连接到一起。 两者相比，前者的灵活性更好，后者设计上稍微简单一些。 9 基于f p g a 的脑电信号采集系统设计 图2 2q u a r t u si i 设计流程图 n i o si ii d e 集成开发环境【1 9 1 是n i o si i 系列嵌入式处理器的基本软件开发 工具，s o p cb u i l d e r 完成了基于f p g a 架构的n i o si i 嵌入式系统之后，n i o si i i d e 在处理器上作软件程序设计。通过n i o si ii d e 设计者可以完成n i o si i 嵌 入式系统的开发、设计、调试、下载等。a l t e r a 的s o p cb u i l d e r 和n i o si ii d e 集成开发环境如图2 3 和图2 4 所示。 1 0 济南大学硕士学位论文 砷髀岫刚柳i 衅l 娜 s 州_ c n 5s 喇1 薯“# t s o e c 哪臻 协蝴c i ) b s 峪。 。 囊c r e m er c w r hi ； 0 s l h ” f 蚰fc 灿t _ 黪i 嗍：i i ：聊嘿 帅 t i “i 脚s “ d 喇h s ：i 媸h_喇鞠u 1 1 j 蠹“州c e p r c ( 0 c 出：女 舞a 9 i 日州 c 簿印0 h e r f o 。e 旧 # l 悯c 1 1 1n 州吲 u s e锄d 出a s d 嘶姒溉蜘m t 础s 口“日n 酝自i d r n c 0 辨 誉十计s 甜 。 e s l a v a l o n m q 蜊 m o z o o o l e o e o o f f i f f f _ 函p c _ 一 厨日c wi h o c e s s “ 。 誉s e 州r 曲* 蛳n 耐h揖n 婶h 舯h x d e d g 日t 黼 墓l e 辨c v 0 d 口甜l s4 t a n 嘲ha 炯w e m o r v 岫p p 酣蜘i 0 i 珊3 l 卜_ 、 r c h ”疑刑y e m o r y n e a g d 啪j 眦谴v n h r 州印e d 铀垤 7 “”；”：i 船? 乳v 1 2 刚蝴w 匿巨i 柏j - 卅 g u r t 上 。b w 拽v 0 6 5 d _ j 钓h v ea r _ 。n 撕m 叫印e d 洳瞳 h o l i e o e e el o x o i0 0 0 0 0 7 叫 l 啊yd w i v 4 1 6m 匿日u mu m 邸- 2 3 2 嘲) o x o i l o e l 2 0 掣一r “ ；= _ im 日愀s 州h 蜘h v 0 巾0 h1 1 v a 帅”盯y 仰酬s h 坩c k l 每o 匿目ms h 0 惜e s 删 1 毒f 嘲1蟹 印l c o r e c t j x x l v a | 。f l n 叶m 删9 a v e 廪 。o i o l n i l i | h o l 0 0 o ) !嘲 豳 日凸尹i 。( 哳咖， 慧， i 一 t i 兰! 。“ t ：v j 堡。- x , c ：童篓 竺! 竺璧二； 竺! j 酝h f ay o u rs y s l e m br e a d y t o o e n e m t e 也u 刈t - l 坚! j 竺! 竺l 图2 3s o p cb u i l d e r 开发环境界面 ! 誓。i 一如j i 一、矿# ”，i 1 一一3 q 柚tj t 赫j o 一一 冀j ；茹萄盛髦- 挚0 q ：枣舻：蠢- ，妻囊，2 夸-器- 墨：c ，c i ” ! 舡。z篇。口兰 蹶溺溺缀逮舞奢赫南椭赫蒜 富“t 誓。三曼| * 誊孑9 d x z e ，o x 3 9 ，0 x 3 9 ，o x 3 1 ，o x d ，o x 3 0 ，o x 2 0 ，o x 5 ，0 x 3 8 ，o x 2 0 ，o x 3 癸曼 i 暑瓣。 i 够1 t mc “p o n e n t so x 3 3 ，o x 3 ，o x 3 ，o x o a ，o x 3 0 ，o x 2 0 ，0 x 5 4 ，o x 3 8 o x 2 0 ，o x 3 8 ，o x 3翟n “。h ；活h e l l 。- o r l r _ o o x36 ，o x 3 2 ，o x o l ，0 x 3 0 ，0 x 2 0 ，0 x s 4 ，0 x 3 b ，o x 2 0 ，0 3 8 ，o x 3 9 o x 2 翟s 口s t mh ob i 口t o x 3 3 ，o x 0 ，o x 3 0 ，o x 2 0 ，0 x s 4 ，o x 3 8 ，0 x 2 0 ，o x 3 9 ，o x 3 0 ，0 x 2 0 ，o x z翟，u i n h 霪h c l n “：v o i du a r t 张d a ( u n s i g n e dc h a r d a s a 翟1 t 时i _ i v , j o n r tr ； i 西d “v j j 等琦发送寄有嚣匀空 翟$ 仙一mh 蠢遁x d l 。- t o r l ac n n ec c i o r dk l t e r 土i v a l o nu j o ts t i t u sc u i a tb i e l & 0 x 2 0 ) ) ； 喾p 1 le “l 。ns t i o i ，ri l t e p ua v 札侧u a r tt 勘a t a f u 蠊tb 蚯e ，d a t a ) ； u l z t _ i 熏卫i t i 苣r , l a i t i t ) 庐5h , n d l u 玎1 n l u m t = ；| i 奁h c l l , o r l a _ 0 一$ s t a t l cv o i d h a n d l eu a r ti n t e r r u p t s ( t o i d c o d t e x t ，a l tu 3 21 d 】$ si 1 1 t i 一岍 a l tu l6d a c a j 庐“ i n tm ： j t ：”在下匿e 皓绩蓦甬户审断6 理程m d a t a ；i o r di l t e r i “洲u r tr x d a t ac u l r tb 上s e 】； f o r ( m - 0 ；r “i 0 0 0 ：+ 1 ( u a r t v r d s t ac g g g m ) ； 一 a s l t e pi 1 0 0 d 0 0 ) ； u 3 l a e p ( i 0 0 0 0 0 ) ： u 5 l e e p i 0 0 0 0 0 ) j - i l a = ( ￥r p a t i ? a t a ) ；j 7 。t t tt 、 一 v 羲# 惭j 搿0缈烈 越戮肼 * _ 。p r o b l - e ；窜c 仰s d t 要、p r o p e t i t i，器 冀- 翻骂 “c 溢。“。t en 啦i y t 缸，t i l l j | r i t l _ b l ls 盯tl z s i r tl1 图2 4n i o si ii d e 用户开发界面 d s pb u i l d e r 是a l t e r a 公司提供的一种d s p 系统设计工具，d s pb u i l d e r 将 m a t l a b 和s i m u l i n k 系统级设计工具的算法开发、仿真以及a l t e r a 开发工具整 合在一起，实现了这些工具的集成。d s pb u i l d e r 依赖于m a t h w o r k s 公司