（模式识别与智能系统专业论文）基于SOPC的人体脉搏信号监测及存储系统设计.pdf

基于s o p c 的人体脉搏信号监测及存储系统设计 摘要 脉诊是中医中一项重要的方法，通过脉诊可以了解人体五脏六腑的健康状 况。由于脉象理论比较复杂，诊断标准很模糊且主观因素较多，因此脉诊的客 观化的研究具有重要意义。本课题中设计的人体脉搏信号监测及存储系统，可 以较客观的对脉搏波进行监测和存储，为脉诊客观化的研究提供了重要的参数。 本课题中设计的基于s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 的人体脉搏信 号的监测及存储系统由三部分组成，分别为系统硬件平台、s o p c 平台以及软件 平台。硬件平台设计，包括脉搏信号采集电路、s o p c 系统电路以及p c b ( p r i n t e d c i r c u i tb o a r d ) 的设计。脉搏信号采集电路实现了对脉搏信号的放大、基线调节和 a d 转换。s o p c 系统电路由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 ) 、s d r a m 、 f l a s h 、s d m m c 卡和液晶屏等器件组成。最终将硬件平台装配成电路板。s o p c 平台包括了n i o si i 处理器的配置及各种外围模块的设计。在软件平台中实现了 驱动程序和应用程序的设计，并移植了i _ t c o s i i 操作系统作为系统的任务管理。 同时还移植了g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) 和f a t 3 2 作为图形界面和文件系统。 实验测试表明，整个系统的软硬件设计基本达到预期目标，采集到的脉搏 信号准确干净，s o p c 系统可正常运行。在l a c o s i i 操作系统下，各项任务运 行稳定，最终实现了对脉搏信号的监测、采集、存储和串口发送等功能。 关键字：s o p c ，脉搏信号，n i o si i ，i - t c o s i i 内蒙古大学硕士学位论文 d e s i g no fh u 僵anp u l s es i g n a lm o n i t o r i n g a n ds t o r a g es y s t e mb a s e do ns o p c a b s t r a c t p u l s ed i a g n o s i si sa ni m p o r t a n tm e t h o di nt r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e ，b y w h i c hc a no b t a i nh e a l t hs t a t u so ft h eh u m a no r g a n s d u et ot h ec o m p l e x i t yo fp u l s e c o n d i t i o nt h e o r y , t h es t a n d a r do fd i a g n o s ei sv a g u ea n dh a sm a n ys u b j e c t i v ef a c t o r s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fo b j e c t i f y i n gp u l s ed i a g n o s eh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t h eh u m a n p u l s es i g n a lm o n i t o r i n ga n ds t o r a g es y s t e mi nt h i sp a p e rc a nm o n i t o ra n ds a v et h e p u l s ew a v e so b j e c t i v e l y t h e r e f o r et h i ss y s t e mc a np r o v i d ei m p o r t a n tr e f e r e n c e sf o r o b j e c t i v es t u d yo fp u l s ed i a g n o s i s b a s e do ns o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) ，t h eh u m a np u l s es i g n a l m o n i t o r i n ga n ds t o r a g es y s t e mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e rc o n s i s t so fh a r d w a r e ，s o p c a n ds o f t w a r e p l a t f o r m t h e h a r d w a r ep l a t f o r mi s c o m p o s e db yp u l s es i g n a l a c q u i s i t i o nc i r c u i t ，s o p cs y s t e mc i r c u i ta n dp c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) d e s i g n t h e f u n c t i o no fp u l s es i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i ti st oa m p l i f ys i g n a l ，a d j u s tb a s e l i n ea n d a dc o n v e r t i o n s o p cs y s t e mi s c o m p o s e db yf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) ，s d r a m ，f l a s h ，s d m m cc a r d ，l c d ，a n ds oo n f i n a l l yt h eh a r d w a r e 内蒙古大学硕十学位论文 p l a t f o r mi sa s s e m b l e di n t op r i n t e dc i r c u i tb o a r d s o p cp l a t f o r mi n c l u d e sn i o si i c p ua n ds o m eo u t e rm o d u l e s 。i ns o f t w a r ep l a t f o r mw ed e s i g nt h ed e v i c ed r i v e r p r o g r a m s ，a p p l i c a t i o np r o g r a m s ，a n dt r a n s p l a n ti _ t c o s - i it om a n a g et h es y s t e mt a s k a tt h es a m et i m e ，g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) a n df a t 3 2a r et r a n s p l a n t e di nt h i s s y s t e m a st h eg r a p h i c su s e ri n t e r f a c ea n df i l es y s t e m t h ep r o c e s so fs y s t e md e b u gi n d i c a t e st h a tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a v e a c h i e v e dp r o s p e c t i v et a r g e t i nt h i ss y s t e m ，s o p cs y s t e mi sr u n n i n gn o r m a l l y , a n d p u l s es i g n a lc a nb ec o l l e c t e dc o r r e c t l ya n dc l e a r l y e v e r yt a s kc a no p e r a t es t a b l yi n i t c o s i io p e r a t i n gs y s t e m f i n a l l y , w eh a v er e a l i z e ds o m ef u n c t i o n sf o rh u m a np u l s e s i g n a li n c l u d i n gm o n i t o r i n g ，a c q u i s i t i o n ，s t o r a g ea n ds e n d i n g k e y w o r d s ：s o p c ，p u l s es i g n a l ，n i o si i ，i t c o s i i 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除本文已 经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得凼墓直太堂及 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：【自盘l 兰 指导教师签名： 日 期：坐! 互! ：罗日 期： 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学位论文的全 部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索， 也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期 间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古 大学就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名： 日期： 内蒙古大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 脉诊是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，是中医理论体系不可缺少的组成部分。 脉诊之所以重要是由于脉象能传递人体各部分的生理病理信息，反映五脏六腑的健康状况， 是窥视体内功能变化的窗口，可以为诊断疾病提供重要依据【l 】。脉诊在临床的运用甚广，医 生可根据脉象的变化，测知人体的健康状况，分析辨别病脉，根据病脉推断病在何处。因此 通过分析脉搏信号进行人体健康状态的诊断是一条有效的手段。 虽然脉诊具有简便、无创、无痛的特点易为患者所接受，然而在长期的医疗实践中也暴 露出一些缺陷。由于“脉理精微，其体难辨 ，虽然经历代医家发微解难，但仍是“在心易了， 指下难明”。首先，切脉单凭医生手指感觉辨别脉象的特征，受到感觉、经验和表述的限制， 并且难免存在许多主观臆断因素，影响了对脉象判断的规范化：其次，这种用手指切脉的技 巧很难掌握，一名医生要掌握切脉过程，并能够准确判断病情至少需要五到八年的时间；再 则，感知的脉象无法记录和保存影响了脉象机理的研究。 因此随着现代科学技术的发展实现脉诊的客观化具有重要的意义，所以本设计的意图在 于将现代电子技术与中医诊脉相结合，采用传感器采集人体的脉搏信息，较客观地记录出脉 搏波，并进行检测和存储。进而有利于采用现代信号处理技术、模式识别技术对脉搏波进行 分析，判别人体的健康状况，能够有效地预防和诊断疾病。本课题无论对临床诊断、中医脉 诊，还是对于中医学基础研究，都具有重要的应用价值和现实意义。 1 2 国内外研究现状 国外方面：早在1 8 6 0 年法国的v i e r o r d t 研制出第一台弹簧杠杆式脉搏描记器，使脉象研 究由示意图阶段进入示波图阶段。自二十世纪五十年代以来，日本以及美国先后研制出各种 类型的脉搏传感器用于临床诊断和基础医学研究，比如压电晶体式、光电式、压敏电阻式、 超声波式等。这些传感器的原理不尽相同，测出的脉搏信号成分也不完全相同。值得说明的 是日本学者藤田六郎研制出不接触脉诊部位就能测出最大脉搏波的光电容积脉诊仪，经过验 证，确认了作者提出的1 0 种体型的可能性以及脉诊部位五行循环的存在【2 】。另外同本的冈田 塑茎查奎兰堡主兰篁丝奎 藤用陶瓷型压力传感器【3 】，开发出适合与浮、中、沉各压力等级的元件，分析后得到满意结 果。所以国外对脉搏波的研究，在仪器上正朝着超声显像方面发慰1 2 19 1 ，脉搏图也进入了由 示波图到声像图的研究新阶段。 国内方面：我国的脉诊客观化研究始于五十年代，不少学者应用描记腕部桡动脉脉搏图 的方法来解决，并对多种脉象进行了脉图描记和分析。但是限于当时的仪器水平，描记出的 图形较小且不够清晰，未能取得较大进展。七十年代中期，国内天津、上海、贵州等地相继 成立跨学科的脉象研究协作组，共同合作促使中医脉象研究工作进入了新的境界。并研制出 了第一批脉图仪，能够成功记录浮、沉、迟、数、疾、弦、滑、细、弱、结代等十余种脉象 波形。 到了八十年代台湾汪叔游教授开始将电子计算机运用到脉诊研究方面【4 】。随着电子计算 机在脉诊客观化研究中的应用【5 卅，1 9 9 1 年9 月始，北京中医药大学的李宇航等人研制出适 用于中医临床及辅助教学的计算机模拟系统，从而完成了“脉诊客观诊断系统的研制【1 0 1 。 直至今日国内只有少数几家研究所能够研制出自己的脉诊仪，这些脉诊仪均能够通过对脉搏 波的分析，来判别人体的健康状况。比如北京百脉b i o m e 生物医学工程研究所研制的“b i o m e 中医脉诊计算机辅助系统”、上海中医药大学研制的“z m i i i 型脉象仪 ，以及合肥华科电子 技术研究所研制的基于脉搏波的“心血管检测仪”等。 1 3 脉搏信号的性质及相关概念 由于对脉搏信号的研究，直接涉及到有关中医脉诊和脉象方面的一些基础知识。在此基 础上简单说明脉搏信号的基本性质。关于脉搏信号的相关概念如下： 1 脉搏：其含义顾名思义是动脉的搏动，是心脏作周期性不停收缩和舒张，引起动脉血 管里血液流动状态、动脉管的张压力及动脉管的容积等一系列变化，这些变化以波的形式向 远心端传播时，导致浅表动脉的搏动现象。 2 、脉图：脉图是脉象信号经仪器描记出来的时问波形图。人体脉搏波时域波形一般被认 为有6 个特征点如图1 1 所示【l l 】。点b ，是主动脉脉瓣开放点，点c ，是收缩期最高压力点，点 d 是主动脉扩张降压点，点e 是左心室舒张期丌始点。点厂是反潮波起点，点g 是反潮波最高 压力点。它们分别反映出心血管的不同状态，c ，e ，g 分别表示三个向上的小峰的顶点，d ， 厂代表两个向小波谷的底点。三个向上的波依次称为主波、潮波、降中波，两个向下的波谷分 别称为潮波前谷和降中峡。 2 图1 i 脉图及其特征点 f i g 1 1p u l s eg r a p ha n di t sf e a t u r ep o i n t 一般情况下，脉搏信号可以看成是周期性的确定性信号，但实际上它们并不完全是确定 的，脉搏信号也并非恒定不变的，而是不断地出现一些微小的变化，尤其是它会随人体的各 种生理病理因素及周围环境条件的变化，其波形会随机性地变化，正在于此，它在医学诊断 中具有重要的意义。脉搏信号具有如下具体特点： ( 1 ) 强干扰下的微弱信号 由于脉搏信号幅度很小，大约是微伏到毫伏的数量级范围。因此，极容易引入干扰，这 些干扰有来自5 0 h z 的工频干扰，有来自肌体抖动、精神紧张带来的假象信号等。 ( 2 ) 频率低但能量相对集中的信号 人体的脉搏频率非常低，约为0 5 4 h z ，一般情况下为1 h z 左右，脉搏信号可看成一个 准直流信号，也可看成是一个低频交变信号。根据脉搏功率谱能量分析，健康人脉搏能量绝 大多数分布于l 5 h z ，而病人脉搏在1 h z 以下和较高频段( 如5 h z 以上或1 0 h z 以上) 仍有相当 一部分的能量分布。 ( 3 ) 复杂且易变的随机信号 脉搏信号因人体生理、病理、心理的不同而不同，又受环境、时间、气候的影响，表现 出同一个人在不同的时间、地点有不同的脉象，有时也会有不同的疾病表现出相同的脉象。 由于脉搏信号的复杂性和变异性，一方面使得我们较难直接从观测结果中总结信号的特性和 规律；另一方面，在有些情况下，有意义的信息恰恰蕴含在变异性之中。我们研究脉搏信息 的主要目标就是提取脉搏信号并加以处理，并由此分析、推演出所需的信息，供医生准确地 诊断疾病。 1 4 目前存在的问题及本文创新之处 对于脉象监测系统的设计，目前国内外产品仅仅将脉搏信号作为监护仪中的一项参数或 3 塑鍪壹奎兰堡堂竺丝茎 者用于辅助教学，且体积较大，价格昂贵，需借助计算机才能工作，缺乏一定实用性，很难 在普通老百姓中普及。本设计作为一个便携式医疗设备在体积和价格上具有较大优势，适用 于普通老百姓。可以及时准确的进行脉搏信号的监测及存储，对于脉象研究以及诊断人体生 理、病理、心理等状况有着十分重要的作用。因此为了实现小体积，低成本，高性能的产品， 采用s o p c 技术完成对脉搏信号的监测及存储等功能是比较理想的方案。 s o p c 是a l t e r a 公司提出的一个灵活、高效的s o c 解决方案，它将n i o si i 处理器、存储 器、f o 等系统设计需要的功能模块集成到一片f p g a 上，构成一个可编程的片上系统，缩小 了系统的体积，节约了成本，可将以往的板级产品设计为芯片级产品【2 1 也】。还可以利用d s p b u i l d e r 、i p 核等完成一些复杂的算法，而n i o si i 处理器具有可裁减、可扩充、可升级等功能 【2 0 】，可以随时进行固件升级，使得该产品具有较长的生命周期。另外n i o s1 1 支持m i c r o c o s i i 等实时操作系统，方便我们直接利用该操作系统完成系统功能的设计【2 3 埘】。因此，采用s o p c 技术进行开发，无论在成本上还是性能上都是比较理想的选择。 1 5 论文的主要内容及章节安排 本文共分7 章，具体结构安排如下： 第1 章：绪论。从应用角度出发，论述了脉诊客观化的重要性及课题的研究意义，同时 介绍了s o p c 技术的特点及应用价值。 第2 章：s o p c 技术及n i o si i 软核处理器。详细介绍了s o p c 技术、n i o si i 软核处理器 以及s o p c 系统的设计流程。 第3 章：总体设计方案。对系统总体方案、总体结构及技术指标进行了说明。 第4 章：系统硬件平台的设计。详细说明了系统硬件平台的各部分电路及功能，包括脉 搏信号采集电路、s o p c 系统电路以及p c b 的设计。 第5 章：s o p c 平台的构建。简要介绍了a l t e r a 公司的开发软件，并说明了对n i o si i 软 核的配置以及各种外围模块的设计。 第6 章：系统软件平台的设计。详细介绍了系统各种软件的设计，包括驱动程序、应用 程序、g u i 图形用户界面的移植、f a t 3 2 文件系统的移植以及g c o s i i 操作系统的移植，并 最终对系统各项功能进行了测试。 第7 章：结论与展望。对论文工作做结论性概括，并归纳其不足以及进一步深入的工作 方向。 4 内蒙古大学硕士学位论文 第二章s o p c 技术及n i o si i 软核处理器 2 1a l t e r a 及其f p g a 介绍 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在p a l 、 g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路( a s i c ) 领域 中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路 数有限的缺点。f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个新概念，内部包 括可配置逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块l o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和 内部连线( i n t e r c o n n e c o 三个部分。f p g a 的基本特点主要有【4 3 】： 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到可用芯片。 f p g a 可以作为其它全定制或半定制a s i c 电路的样片。 f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚。 f p g a 是a s i c 电路中设计周期较短、开发费用较低、风险较小的器件之一。 f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t t l 电平兼容。可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 具有丰富的片上可编程逻辑资源。 目前世界上最大的两个f p g a 生产厂商为x i l i n x 公司和a l t e r a 公司【3 2 1 ，其中x i l i n x 公司 的f p g a 性能较好，在欧洲具有很大市场，典型器件为v i r t e x 4 、s p a n t a n 3 e 等系列，但是 价格偏高。而a l t e r a 公司的f p g a 具有同样优秀的性能，并且价格偏低，在亚洲具有较多用 户，典型器件为s t r a t i x 、c y c l o n e 和c y c l o n ei i 等系列。其中c y c l o n ei i 系列是该公司一款高 性能低成本的f p g a ，本课题选用的正是该系列的e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 作为核心器件。除了x i l i n x 和a l t e r a 之外还有l a t t i c e 、a c t e l 等f p g a 厂商，这些厂商的f p g a 往往用于特殊场合。 2 2s o p c 技术介绍 随着集成电路工艺技术的不断发展和集成度的大幅度提高，嵌入式系统也由板级向芯片 级过渡，即片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。 s o p c ( s y s t c i l lo n ap r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 是由a l t e r a 公司于2 0 0 0 年提出 5 内蒙古大学硕士学位论文 的一种灵活高效的s o c 解决方案。s o p c 是以p l d ( 可编程逻辑器件) 取代a s i c ，更加灵活、 高效的解决方案【2 5 】。s o p c 代表一种新的系统设计技术，也是一种初级的软硬件协同设计技 术。设计师使用a l t c r a 公司提供的专用开发工具，在p l d 上创建硬软件开发的基础平台，也 即用s o p cb u i l d e r 创建软核c p i 卜- n i o s 和参数化的接口总线a v a l o n 【2 6 1 。在此基础上可以 很快的将硬件系统( 包括处理器、存储器、外设接口和用户逻辑电路) 与常规软件集成在单一 可编程的芯片中。s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合的结果，它可编程的灵活性和i p 设计的重 用性，易于保证产品之间的差异性，降低了开发风险【2 7 1 。 s o p c 设计技术涵盖了嵌入式系统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操 作系统( r t o s ) 为中心的软件设计技术、以p c b 和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术 以外，s o p c 还涉及目前以引起普遍关注的软硬件协同设计技术。与a s i c 比较起来，可编程 逻辑器件设计起来十分灵活、便捷，可以缩短上市时间，再加上可编程逻辑器件是按标准器 件生产出来的，规模效应使得成本十分低廉，故而在半导体领域中可编程逻辑器件呈现出一 枝独秀的增长态势，越来越多地成为系统级芯片设计的首选。 2 3n i o si i 软核处理器介绍 2 3 1n i o si i 软核处理器简介 简单来说n i o si i 微处理器是一个处理器的i p ( i n t e l l i g e n tp r o p e r t y ，知识产权核) ，系统设 计者可以将它放入f p g a 中，它只占芯片内部很少的一部分逻辑单元，成本很低。n i o si i 系 列软核处理器是a l t e r a 公司在2 0 0 4 年6 月继第一代嵌入式软核处理器n i o s 之后，推出的第 二代嵌入式软核处理器【4 6 】。同前一代软核c p u 相比，n i o si i 的性能得到提高，体积更小，其 最大处理能力是第一代软核的3 倍。逻辑功能方面具有3 2 位的精简指令集，c p u 具有超过 2 0 0 d m i p s ( d h r y s t o n em i l l i o ni n s t r u c t i o n se x e c u t e dp e rs e c o n d ，在d h r y s t o n e 测试程序中每秒百 力条指令1 的性能，具有很大的灵活性，可以在多种系统设置组合中进行选择，实现方式是在 f p g a 七通过编程方式实现。 n i o si i 处理器是一种具有5 级流水线、单指令的r i s c 处理器，其大部分指令可以在一 个周期内完成。n i o si i 处理器又是一种软核c p u ，专门针对a l t c r a 的可编程逻辑器件及片上 可编程的设计思想，做了相应的优化。作为一种可配置的精减的r i s c 处理器，它可以与用 户自定义逻辑结合构成s o p c 系统，并下载到a l t c r a 的可编程器件中。3 2 位的n i o si i 软核， 结合外部闪存以及大容量存储器，可构成一个功能强大的3 2 位嵌入式处理器系统。 6 内蒙古大学硕士学位论文 2 3 2n i o si i 处理器系统的结构 n i o si i 软核处理器是通用流水线型的r i s c 处理器内核，它和微控制器或者“片上计算 机”( 包含一个c p u 、片上存储器以及外设的连接接口) 是等价的术语【4 3 1 。n i o si i 处理器系统 将n i o si i 处理器核、片内外设集合、片内存储器和片外接口等，所有这些都在一块单一的 a l t e r a 的f p g a 芯片上实现，且所有的n i o si i 处理器系统使用统一的指令集和编程模型。一 个典型的n i o si i 处理器系统如图2 1 所示【3 4 1 。 与软件调试器之间的 图2 1n i o s i i 处理器系统 f i g 2 1n i o si ip r o c e s s o rs y s t e m 上图的中的n i o si ic p u 、外设和外设接口，如s d r a m 控制器、片内r o m r a m 、三态 桥、u a r t 、定时器、l c d 显示驱动电路、通用i 0 、以太网接口和c o m p a c t f l a s h 等都是由 f p g a 内部的逻辑和r a m 资源提供的。 2 3 3n i o si i 软核处理器的优势 嵌入式处理器开发人员面对的一个最大挑战就是如何选择一个满足其应用要求的处理 器。现在已有数百种嵌入式处理器，每种处理器都具备一组不同的外设、存储器、接口和性 能特性，用户很难做出一个合理的选择：要么为了匹配实际应用所需的外设和接口要求而不 得不选择在某些性能上多余的处理器；要么为了保持成本的需要而达不到预计的理想方案。 采用n i o si i 处理器，用户将不会局限于预先制造的处理器技术，而是根据自己的要求定 制处理器，按照需要选择合适的外设、存储器和接口。此外，用户还可以轻松集成自己专有 7 内蒙古大学硕士学位论文 的功能( 如d s p ，用户逻辑) ，创建一款“完美 的处理器，如图2 2 所示【3 3 1 ，使用户的设计具 有独特的竞争优势。 图2 2 定制的n i o si i 系统 f i g 2 2c u s t o m i z e dn i o si ip r o c e s s o rs y s t e m 用户所需要的处理器，应该能够满足当前和今后的设计性能要求。由于今后发展具有不 确定性，因此，设计人员必须能够更改其设计，加入多个c p u ，定制指令集及硬件加速器， 以达到新的性能目标，而n i o si i 处理器能满足以上要求。采用n i o si i 处理器，用户可以根据 需要设置功能，在低成本a l t c r a 器件中实现。在单个f p g a 中实现处理器、外设、存储器和 i o 接口功能，可以降低用户的系统总体成本。无论是外设、存储器接口、性能特性，还是成 本，这些优势的体现都借助于在a l t c r a 的f p g a 上创建一个定制的片上系统，或者更精确地 说，创建一个可编程单芯片系统。从技术支持和售后服务上讲，与其它可编程器件厂商相比， a l t c r a 公司在国内通过自己的办事处和各大代理商为开发人员提供了强有力的技术支持，产 品开发的可持续性强，国外一些大的软件开发商也都提供第三方的开发工具支持。另外，n i o s i i 是一个免费的i p 核，设计人员通过a l t c r a 的代理商可以很方便地得到支持n i o si i 处理器的 全系列器件及软硬件的开发环境。 2 4s o p c 系统的设计流程 s o p c 系统设计包括以n i o si i 软核处理器为核心的嵌入式系统的硬件配置、硬件设计、 硬件仿真、i d e 环境的软件设计、软件调试等。基本软件工具包括：q u a r t u si i ，用于完成n i o s i i 系统的分析综合、适配、配置文件编程下载等；s o p cb u i l d e r ，用于实现n i o si i 系统配置、 生成以及与n i o si i 系统相关的监控和软件调试平台的生成；n i o si ii d e ，用于完成基于n i o s i l 系统的软件开发和调试，并可借助其自带的f l a s h 编程器完成对f l a s h 以及e p c s 的编程操 作，此外n i o si ii d e 还包括一个指令集成模拟器、m i c r o c o s i i 实时操作系统以及小型t c p i p 内蒙古大学硕士学位论文 协议栈。在s o p c 系统的开发过程中要使用到q u a r t u si i 、s o p cb u i l d e r 以及n i o si ii d e 三个 开发工具，基本开发流程如图2 3 所示【3 3 1 。 图2 3s o p c 系统的开发流程图 f i g 2 3d e v e l o p m e n tf l o wc h a r to fs o p cs y s t e m 9 内蒙古大学硕士学位论文 第三章总体设计方案 3 1 系统设计原则 本文中设计的脉搏信号监测及存储系统，首先是一种医疗仪器，同时，它还是一款基于 微处理器的消费电子产品，最终要面向市场和用户。这种产品定位决定了在系统设计、研发 过程中，必须兼顾这两个方面的应用特点和技术要求，在设计过程中要遵循以下原则【3 8 】： 1 安全原则 本系统是一款直接与人体接触的医疗仪器，因此应将保证人身安全作为设计的首要原则。 系统设计和制作要完全依据g b 9 7 0 6 1 1 9 9 5 医用电气设备安全通用要求规定的内容进行， 保证系统的电气性能安全。 2 准确原则 保证采集到的人体脉搏信号完整无误，脉搏信号直接反映人体的健康信息，是诊断的主 要依据。由于人体的生理信号都是极其微弱的信号，非常容易受到人体静电和环境感应电的 干扰，因此在系统设计、制作中要采取一切手段保证信号不失真。 3 可靠原则 医用系统必须保证能够长时间稳定的工作，性能可靠，不出故障，保证能对人体进行长 时间监测。 4 易用原则 本系统主要针对一些心脑血管疾病患者进行监测，用户大多为中老年人群，对电子产品 和计算机的操作水平有限，因此易学、易用是对系统的基本要求。本系统中只采用三个按键 即可完成所有操所，简单易用。 5 便于扩展、升级 由于本文中设计的脉搏信号监测及存储系统不仅仅是医疗仪器，还是一款消费电子产品， 因此系统的设计必须要为以后的扩展、升级提供条件，同时要在技术上做到适当超前。因而 保留了软件升级的接口，延长产品的生命期。 内蒙古大学硕士学位论文 3 2 总体结构框架 本系统主要由f p g a 处理器、脉搏信号采集模块、a d 转换模块、按键、l c d 显示模块、 电源管理模块、通信及调试接口、s d r a m 、f l a s h 以及s d m m c 卡组成，如图3 1 所示。 脉搏信号通过脉搏传感器测得，经过放大后接到a d 转换器的输入端。f p g a 通过a d 转换器采集脉搏信号的数字量，并在l c d 上实时显示。通过按键进行脉搏信号的监测、采集、 存储和发送等操作。另外本系统为了方便与p c 机进行通信，扩展了u a r t 接口，用户可根 据需要将脉搏信号的数字量传送到p c 机上，并利用p c 机的强大数据处理功能进行脉搏信号 的分析。 图3 1 总体结构框图 f i g 3 1d i a g r a mo fs y s t e mg e n e r a ls t r u c t u r e 3 3 技术指标 1 脉搏传感器技术指标 ( 1 ) 电源电压：5 - - 6 v d c ( 2 ) 压力量程：一5 0 - - + 3 0 0 m m h g ( 3 ) 灵敏度：2 0 0 0 u v m m h g ( 4 ) 灵敏度温度系数：1 1 0 - 4 ( 5 ) 精度：o 5 ( 6 ) 重复性： 0 5 内蒙古大学硕士：学位论文 ( 7 ) 迟滞： o 5 ( 8 ) 过载：1 0 0 倍 2 电源电路技术指标 ( 1 ) 适配器：直流7 5 v 、8 0 0 m a ( 2 ) 电源纹波：数字电路电源1 0 m v 以下，模拟电路电源l m v 以下 3 环境指标 ( 1 ) 环境温度：2 0 5 0 ( 2 ) 湿度：10 - - - 9 5 p h 4 其它指标 ( 1 ) r s 。2 3 2 通信 ( 2 ) 支持s d m m c 卡存储 ( 3 ) 支持j t a g 接口和a s 接口 1 2 内蒙古大学硕士学位论文 第四章系统硬件平台的设计 4 1 核心处理器的选型 由于嵌入式系统应用需求的多样性，基于f p g a 的嵌入式系统设计方法越来越体现出自 身的优势。基于应用广泛性、灵活性的选型原则选定a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列的f p g a 作为实验开发平台的核心。 c y c l o n ei i 系列是a l t e r a 在第一代c y c l o n e 系列的基础上，开发了全铜层9 0 n m 低k 绝缘 工艺，1 2 vs r a m 工艺设计，在3 0 0 m m 晶圆片上生产的f p g a 。c y c l o n ei if p g a 具有很高 的性能和极低的功耗，而价格和a s i c 相当，能够提供多种功能，为价格敏感的应用提供大 批量产品解决方案。c y c l o n ei i 器件是汽车、通信、消费类、视频处理、测试和测量以及其它 终端市场解决方案的理想选择。目前，c y c l o n ei i 系列的f p g a 包括e p 2 c 5 、e p 2 c 8 、e p 2 c 2 0 、 e p 2 c 3 5 、e p 2 c 7 0 等型号。c y c l o n ei i 系列f p g a 的产品型号及特性如表4 1 所示f 4 7 1 。 表4 1c y c l o n ei i 系列f p g a 产品型号及特性 t a b l e4 1p r o d u c tt y p e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fc y c l o n ei i 器件 e p 2 c 5e p 2 c 8e p 2 c 2 0e p 2 c 3 5e p 2 c 5 0e p 2 c 7 0 逻辑单元 4 6 0 88 2 5 61 8 7 5 23 3 1 2 6 5 0 5 2 8 6 8 4 1 6 m 4 k r a m 块( 4 k 位+ 5 1 2 位 2 6 3 65 21 0 5 1 2 9 2 5 0 校验位) 总位数 1 1 9 8 0 8 1 6 5 8 8 82 3 9 6 1 64 8 3 8 4 0 5 9 4 4 3 21 1 5 2 0 0 0 嵌入式1 8 1 8 乘法器1 31 82 63 58 61 5 0 p l l s22 444 4 最多用户i o 引脚 1 5 81 8 23 1 54 7 54 5 06 2 2 差分通道 5 87 71 3 22 0 51 9 32 6 2 本设计选择e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 作为处理器，具体原因如下： 1 从硬件设计方面，e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 拥有8 2 5 6 个逻辑单元( l e ) 、3 6 个m 4 k 、2 个 p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ，锁相环) 和18 个嵌入式乘法器。该器件足够装入一个n i o si i 软核，以及用户自定义逻辑设计，并且拥有最多1 3 8 个通用i o 口，能够提供足够多 1 3 内萤古大学碾学位论文 的扩展口。 2从软件设计方面，a l t e r a 公司提供完整的开发工具。通过a l t e r a 公司的q u a r t u s1 1 软 件可以对e p 2 c 8 的u o 脚很方便的进行定义和配置，并通过编程f 载到f p g a 中。 在不改变硬件电路板的基础上得到需要的功能模块电路、各类外围接口、或者控制 功能。通过s o p cb m l d e r 可以对n i o si i 软核外围基本器件进行配置。 3 从价格和应用方面，e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 比较低廉而且市场上货源充足，适合进行实验 性开发。 因此本系统选用c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 作为核心处理器。基于f p g a 的嵌入式 系统设计是现在以及将来的嵌入式系统设计的趋势，它具有的优势正越来越体现出来。 4 2 脉搏信号采集电路设计 4 21 脉搏传感嚣的选择 考虑到产品价格的因素和所需精度的要求，本设计采用合肥华科电子技术研究所研制丌 发的基于p v d f ( 聚偏氟乙烯) 压电膜的h k - 2 0 0 0 b 型集成化脉搏传感器，如图4i 所示。它是 一种软接触式的无创伤脉搏传感器。采用高度集成化工艺将力敏元件( p v d f 压电膜) 、灵敏温 度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内。具有灵敏度较高、抗干扰性能强、 过载能力大、一致性好、稳定可靠和使用寿命长等特点。主要技术指标为：压力量程： 5 0 - - + 3 0 0 m m h g ；灵敏度：2 0 0 0 u v m m h g ；精度：o5 过载1 0 0 倍。通常应用于无创心血 管测试以及中医脉象诊断。 图4 i 脉搏侍感器 f i 9 4i h u m a np u l s es 朋s o r 当对脉搏信号进行测量时，需要将脉搏传感器传感面( 白色) 贴在脉搏擐强处用绑带固定 自蒙古大学颐i 擘位论立 被测人与脉搏传感器的位置关系如图4 2 所示。 艘 件脉搏跳动最强盎在手麓外削 露一二够k 图4 2 传感嚣应i l l 定的位置 p i g 4 2f i x e d p o s i t i o n o f p u l s es e n s o r 把脉搏传感器用绑带固定在被测人的手腕外侧，随着每舒张收缩一次，动脉系统发生压 力和血流量的改变，即产生一个脉搏波。在这个过程中脉搏传感器可以很好的采集到人体脉 搏信号的搏动过程并转化为同步的电压信号输出。从而使人体脉搏信号与脉搏传感器输出信 号保持同步。用该传感器采集到的典型的脉搏波形如图4 3 所示。 图43 典型的脉搏波形( 固人而异) f i 9 43 t y p i c a lp u l s e w a v e f v a r i c s f o r m d o t o p c m o n ) 由脉搏传感器所给出的技术指标：压力量程：- 5 0 - - - + 3 0 0 m m h g ，灵敏度：2 0 0 0 u v m m h g ， 可以得出脉搏传感器输出信号的电压范围是：o1 - - 06 v 。因此用户可咀直接把脉搏传感器的 输出信号线与运算放大器的输入端相连，同时可根据实际需要来对传感器输出的信号进行幅 度调整。 4 22 放大电路与基线调节电路 由于每个人各体日j 的差异，使得人与人之间脉搏信号的强弱不同，反映在脉搏罔卜则是 幅度不同。为了能够使人体的脉搏信号即使在微弱的情况下仍能在l c d 上显示出报好的波 形，同时也为了匹配a d 转换器的电压转换范围( 0 v 5 v ) ，因而在脉搏信号进入到a d 转换器 之前加了一级放大电路，作为幅度的调整。同时由于脉搏传感器输出的一部分电压为负电压， 故需要进行电压提升爿能达到