（电力电子与电力传动专业论文）基于sopc技术的便携式心电监护仪的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 t h e s t u d y o f p o r t a b l ee c g m o n i t o rb a s e d0 1 1s o p c p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e m a s t e r ：z h a n gj i m ot u t o r ：y a n gj i n g c h a n g w i t ht h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s 、a c c e l e r a t e dp a c eo fl i f e ，t h e i n c i d e n c eo fc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ei n c r e a s e d ，b e c o m eo n eo ft h em a i nt h r e a tt o h u m a nh e a l t h b e c a u s eh e a r td i s e a s ew i t hs u d d e no n s e t ，f o ral o n gt i m et os u p i n e p a t i e n t si nt h eh o s p i t a li si m p o s s i b l e ，h o w e v e r ，h e a l t hc a r ew o r k e r sa l s on e e dt ob e t h eg u a r d i a no fr e a l - t i m e ，t h e r e f o r e ，r e s e a r c hh i g h - p e r f o r m a n c ep o r t a b l ee c g m o n i t o rh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h ee x i s t i n gm e d i c a la n ds o c i a lc o n t e x to fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y ，p r o m i n e n ti nt h ef i e l do fm e d i c mc a r eh a sb e e nt o w a r d p e r s o n a l i z e d 、p o r t a b i l i t y 、m u l t i f u n c t i o n a l ，h e n c et h en e e df o rs u c h as y s t e mt o c o n f o r mt oi t sd e v e l o p m e n t f o rt h ea b o v e ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dae c g m o n i t o r i n gs y s t e ms o l u t i o n sb a s e d o ns o p c ，a l t e r ac o r p o r a t i o nc y c l o n ei is e r i e sc h i pe p 2 c 8 q 2 0 8a st h ec o r ec h i po f c o n s t r u c t i o no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m s y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h e e x t e r n a lc i r c u i td e s i g no ff p g aa n de c gc o n d i t i o nm o d u l ed e s i g n ，e m b e d d e d s o f t - c o r en i o si i 嬲t h es y s t e mp r o c e s s o r s y s t e ms 0 1 a r ed e s i g nm a i n l yi nt h en i o s i ii d e ，u s i n gt h en i o si ic u s t o mi n s t r u c t i o nm e t h o d st op r e p a r at h ecl a n g u a g e a p p l i c a t i o n s ，a n di n t r o d u c e di nt h es y s t e m ，p c o si ie m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ， a n dab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ei - l c o si ii nt h en i o si it r a n s p l a n t a t i o nm e t h o d t h e u s eo fe c gd i s p l a y2 4 0 3 2 0o ft h et f tl c ds c r e e n ，t r a n s p l a n t a t i o no fg r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c ei t c g u i ，g o o d - l o o k i n gi n t e r f a c e ，c a nd i s p l a yt h er e a l t i m ee c g w a v e f o r m ；e c gs i g n a ls t o r a g eu s e ds dc a r d ，i ti sc a p a c i t y 、l o wc o s ta n de a s yt o c a r l y ，f a t 16f i l ef o r m a tu s e df o rd a t as t o r a g e t h ed a t ai st r a n s m i t t e db yt h ee t h e m e t n e t w o r k t h ed a t ac a nb er e c e i v e db yt h es e r v e rw h i c hi si nt h eh o s p i t a la n dc a nb e u 西华大学硕士学位论文 d i s p l a y e do n t h es e r v e r i nt h i sp a p e r ，t h ew o r ko f t h ea b o v eh a dad e t a i ld i s c u s s i o n ，a n dt h ep r o d u c t i o n o ft h ec o r r e s p o n d i n gp h y s i c a lm o d u l e s ，a f t e ras e r i e so fe x p e r i m e n t st op r o v et h e f e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m ，e c ge q u i p m e n tw i l lb ea tt h es a m et i m et ot h ef o r mo f d i g i t a la n dw a v e f o r md i s p l a y ，s ot h a tag u a r d i a nc a nb ed i s p l a y e dt h r o u g ht h e i n s t r u m e n t sa n dd i g i t a lw a v e f o r mg r a p ht om a k e1 t l li n i t i a lp a t h o l o g i c a ld i a g n o s i s ， e n a b l ei n d i v i d u a l st of a c i l i t a t et h e h e a l t hs t a t u so ft h e i ro w ns e l f - d e t e c t i o na n d a n a l y s i s k e y w o r d s ：e c gm o n i t o r s o p cl c ds c r e e ns dc a r de t h e m e t i i i 西华大学硕士学位论文 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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它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工作所作的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：域 导师签名： q 年r 月弋1 e j r 月订，日 西华大学硕士学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 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， 同意学校保留并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阅，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密匹适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 醐： 霜 p罗烈o 签 全 一1 论 ： 位 期学日 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 近几年来，生物医学测量与仪器的研究和开发应用发展十分迅速，其主要 发展趋势是：完善仪器的功能，注意人机工程的运用，使测量仪器实现自动化 与智能化；发展无拘束及适合家庭使用的生物测量与监护技术及仪器，例如， 适合家庭或个人使用的心电、血压、血糖及其他生理、生化参数的检测与记录 技术，以及将这些技术应用于多媒体技术和高速信息公路相结合的远程医疗保 健系统等。因此，研究开发微型化、便携式和智能化医学测量仪器已成为主要 发展方向。 。 对心血管疾病的研究一直是医学界的一个重要课题，特别是对心电的研究， 可以认为是研究的核心。心电信号带有大量的有关心脏状态的信息，而且心电 信号可以在体表无损地被检测出来，不会给病人带来任何痛苦。常规心电图机 所记录的常规心电图，可以反映心脏活动的变化，是心血管疾病诊断的重要依 据。但是，常规心电图记录时间有限，记录心率失常发生的概率相对较低，尤 其对于阵法性心律失常，往往难以捕捉，因此需要一种能够连续记录并分析心 脏活动的心电监护系统，对患者进行实时监护，及时对心脏的异常活动做出判 断，以便医生及时诊断和治疗。出于医疗诊断的需求，心电监护开始应用于临 床，并在心律失常和心肌缺血检查方面发挥着不可替代的作用，成为心血管领 域中的实用、高效、安全、准确的重要检查方法。心电监护的出现，开辟了时 间全信息和环境全信息心电记录和诊断的新领域，从而在某种程度上弥补了常 规心电图的不足。它提供了长时间的动态心电图记录对心律失常的检出、早期 心血管疾病的诊断、抗心律失常治疗的评价以及心律失常和生理关系的研究具 有重要意义。 随着人们生活水平的提高、生活节奏的加快，心血管疾病的发病率迅速上 升，已成为威胁人类身体健康的主要因素之一。心电图( e c g ) 则是治疗此类 西华大学硕士学位论文 疾病的主要依据，具有诊断可靠，方法简便，对病人无损害的优点，在现代医 学中，变得越来越重要。常规心电图( e c g ) 是病人在静卧情况下由心电图仪 记录的心电活动，只能获取少量有关心脏状态的信息，所以在有限时间内即使 发生心率失常，被发现的概率也是很低的。因此有必要通过相应的监护装置对 患者进行长时间的实时监护，记录患者的心电数据。又由于心脏病的发生具有 突发性的特点，患者不可能长时间地静卧在医院，但又需实时得到医护人员的 监护，所以研发相应的便携式心电监护产品就显得更加重要。 1 2 国内外发展现状 从1 9 0 3 年第一台心电图机问世开始到现在，心电图仪的发展经过了两个重 要阶段：1 从1 9 0 3 年至1 9 6 0 年，这段时间是普通心电图机的发展和临床应用时 期。普通心电图机有称为常规或静态心电图机，他从1 9 0 3 年生产出的第一台心 电图机开始使用至今已经有9 0 多年的历史了，它得到了广泛的普及和应用，早 已经成为个大小医院必备仪器。但是它仅能记录受检者处于静态时的且为时甚 短的心电资料，检查过程仅为短暂的几分钟，记录的心博一般仅数十次，尤其 对于一次性心律失常和心肌缺血更不易发现，对于受检者在睡眠、各种活动、 体育运动、工作劳累或情绪激动等特定状态下出现的症状和变化，无法记录当 时的心电图形，这是他的局限性。2 动态心电仪针对常规心电仪存在的上述缺点， 为了及时发现和治疗早期的心脏病和各类隐性、偶发性的心率失常、心肌局部 缺血，就必须有一种心电图仪能携带在病人身上，在病人正常工作、生活的情 况下，2 4 小时以上的长时间对病人进行检测，随时捕捉病人在工作紧张劳累或 精神受到刺激、情绪激动或特殊状态下的心脏发生的病变反应。2 0 世纪5 0 年代 末，美国科学家h o l t e r 先生首先发明了这种心电仪，人们叫它为h o l t e r 心电仪 或动态心电仪，1 9 6 1 年正式应用于临床，以后h o l t e r 心电仪得到了飞速的发展， 并广泛应用于临床。其优点是十分明显的：它可以长时间监测病人在各种工作、 生活等状态下的心肌生理变化和病变程度及严重程度，尤其对各类偶发、一次 性和隐性心律失常，对无痛性心肌局部缺血的检测都十分有效。近几年来，日、 2 西华大学硕士学位论文 美等国家开始利用动态心电仪进行心率变异分析，已取得了大量经验，其临床 意义越来越大，受到医疗专家的高度重视，发达国家已普遍采用。我国的一些 省级大医院也开始将进口h o l t e r 心率变异分析功能应用于临床，但绝大多数医 院因无能力购买价格昂贵的进口h o l t c r ，而国产的心电仪有绝大多数都不具备 心率变异分析功能，所以，在我国心率编译分析的临床应用还刚刚开始，绝大 多数医院对此都不甚了解。近几年来，经过我国医疗和计算机专家的共同努力， 已经研制成功心率变异分析仪器，在普及型动态心电仪的基础上研制成功心率 变异分析，经过大量的临床证明已达到国内的先进水平，完全可以满足临床需 要。这是动态心电仪的临床应用的重大发展，它的普及应用一定会大大提高我 国心脏病的诊断水平。 我国于2 0 世纪7 0 年代以来开始从国外引进动态心电图仪，在临床上开展 动态心电图的检查工作。目前全国各大城市的主要医疗单位都已经能进行此项 检查并积累了不少经验，2 0 世纪8 0 年代初我国有关单位技术人员研制成功了我 们自己的动态心电仪。到目前为止，我国已生产了高中抵挡各种类型的动态心 电仪，有的已达到国际的先进水平，更可喜的是，经过广大科技人员的努力， 我国已生产出适合我国国情的特别适合广大中小型医院使用的动态心电仪。随 着我国广大乡镇医院的动态心电仪的普及和使用，一个临床应用动态心电图检 查的高潮很快就要到来。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题研究的便携式心电监护主要功能为：任意导联检测人体心电参数通 过液晶显示实时显示心电波形和工作菜单；利用外部存储器( 本设计采用s d 卡) 存储心电信息以便日后作为诊治参考，可以长时间存储心电信息，从而使 其具有类似动态心电图仪( h o l t e r ) 的功能。 该系统用c y c l o n ei i 为硬件基础的n i o si i3 2 位软核作为系统的处理器，再 把实时的操作系统p c o si i 移植上去，心电信号采集模块采集的心电信号经 n i o si i 处理器后通过a d 转换器转换成数字信号存储到f l a s h 大容量存储器中， 3 西华大学硕士学位论文 当用户需要时，可以随时将存储的数据信息读出并在液晶显示器上显示或是用 以太网传送到上位机中进行显示、处理。归纳起来本论文主要对以下几方面内 容进行讨论： f p g a 硬件系统平台的设计，包括配置电路、s d 卡电路、l c d 电路、存储 电路等一些外围电路的设计。 心电信号调理模块的设计，包括前置放大电路、滤波电路、陷波电路的硬件 设计。 嵌入式操作系统p c o si i 及其在n i o si i 上的移植，图形界面p c g u i 在n i o s i i 上的移植。 n i o si i 处理器控制程序的开发，采用嵌入式c 语言实现数据处理的控制与 实现逻辑。 完成心电信号的网络传输，设计r t l 8 0 1 9 网络接口芯片的驱动程序，并将 其与l w l p 协议栈接口，实现完整的网络体系结构。 f p g a 系统各个子模块的调试，以及s o p c 系统的软件硬件联合调试。 4 西华大学硕士学位论文 第二章基于s o p c 的嵌入式系统 2 1s o p c 技术概述 s o p c ( s y s t c m o np r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 是a l t e r a 公司提出的 一种灵活、高效的s o c 解决方案【l 】。它将处理器、存储器、i 0 口、l v d s 、c d r 等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构建成一个可编程的片 上系统。s o p c 结合了s o c 和可编程逻辑器件各自的优点，一般具备以下基本 特征： 至少包含一个嵌入式处理器内核。 具有小容量片内高速r a m 资源。 丰富的口核资源可供选择。 足够的片上可编程逻辑资源。 处理器调试接口和f p g a 编程接口。 可能包含部分可编程模拟电路。 单芯片、低功耗、微封装。 现今，可将s o p c 视为是基于f p g a 解决方案的s o c ，与a s i c 的s o c 解 决方案相比，s o p c 系统及其开发技术具有更多的特色，构成s o p c 的方案也有 很多途径，主要有如下三个方面【2 】【3 】【4 】【5 1 。 基于f p g a 嵌入式p 硬核的s o p c 系统 基于f p g a 嵌入式i p 软核的s o p c 系统 基于h a r d c o p y 技术的s o p c 系统 对于q u a r t o si i 平台，用户可编程的n i o si i 核含有许多可配置的接口模块 核，包括可配置高速缓存( 包括由片内e s b 、外部s r a m ，i o o m b 以上单周期 访问速度) 模块，可配置r s 2 3 2 通信口、s d r a m 控制器、标准以太网协议接口、 d m a 、定时器、协处理器等。只要f p g a 的资源允许，n i o si i 核在同一f p g a 中植入的数量没有限制；就成本而言，由于n i o si i 是a l t e r a 直接推出而非第三 方产品，故用户通常无需要支付知识产权费用，n i o si i 的使用费仅仅是占用的 5 西华大学硕士学位论文 f p g a 逻辑资源费。因此，本课题选用基于f p g a 嵌入口软核的s o p c 。 2 2 嵌入式软核处理器n i o si i 在s o p c 中最核心的部分就是嵌入式微处理器p 核的设计和使用，其中比 较著名的有a l t e m 公司的n i o si i 和x i l i n x 公司的m i c r o b l a z e 等【6 】【刀。本论文采 用的是a l t e r a 公司的n i o s i i 软核，下面对n i o s l i 软核进行简单的介绍。 n i o s i i 系列嵌入式处理器是一款通用的r i s c 结构的c p u ，使用3 2 位的指 令集结构，它是建立在第一代1 6 位n i o s 处理器的基础之上的，定位于广泛的 嵌入式应用。n i o si i 处理器系列包括了三种核心：快速型( n i o s l i f ) 、经济型 ( n i o s l i e ) 和标准型( n i o s l i s ) 内核，每种都针对不同的性能范围和成本而优化。 所有的这三种核都使用共同的3 2 位的指令集结构( i s a ) 百分之一百的二进制 代码兼容。在低成本f p g a 中实现成本只有3 5 美分，由于处理器是软核形式， 具有很大的灵活性，可以在多种系统设置组合中进行选择，满足成本和功能要 求。使用业界领先的设计软件a j t e m 的q u a r t u si i 软件、s o p cb u i l d e r 工具 以及n i o s l i 集成开发环境( i d e ) ，- e 程师可以轻松地将n i o s i i 处理器嵌入到系统 中，以此来创建一个最适合他们需求的嵌入式系统。 l 、n i o s i i 嵌入式软核的内部结构 一个典型的n i o s i i 嵌入式软核处理器系统如图2 1 所示。在图中，整个n i o s l i 嵌入式软核系统包括n i o s i i 处理器内核( 包括调试模块) 、a v a l o n 交换总线、系 统外设和片内用户逻辑。在系统的外设中，如s d r a m 控制器、片内r o 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 内部逻辑和r a m 资源实现的。 6 西华大学硕士学位论文 j 理一l ：雹 莲 一一 ，! ? 竺7 鼍一_ m a - ；叫_ 竺卜卜翼望一 “蠢孽- 一兰= | 一l 一一“：竺竺，1 f i g2 1t h e t y p i c a ls t r u c t u r eo f n i o s l le m b e d d e ds o f t c o r e 图2ln i o s h 嵌入式软核的典型架构 n i o s h 嵌入式软核有3 种类型，用来满足不同设计的要求。他们分别是快 速型、经济型和标准型。快速性n i o s h 内核具有最高的性能，经济型n i o s l l 内 核具有最低的资源占用，而标准型n i o s i i 内核在性能和面积之间做了一个平衡， n i o s i i 内核的3 种类型和占用资源如图2 2 所示。 圈圆圈圆圈f 旦燮! 堕l ! 坐! ! 蛭 l n i o s 嚣氍黧 k i m 5 0 h 卜仁 i b m l w a r e p e r f o r m a n c ea t s 0 鬻黼龋鳓鬻蛰澄隧咖* 3 d o 艚8 淼嚣篙。裂黼函黼曩麟然嚣。 f i 9 22 t h e t h r o e t y p e s o f n i o s i is o rc o m 图2 2 n i o s i i 软核的3 种类型 7 鏖 巨 幕一 西华大学硕士学位论文 2 、a v a l o n 交换式总线 a v a l o n 交换式总线是由a l t e r a 开发的一种专用的内部连线技术。a v a l o n 交 换式总线由s o p cb u i l d e r 自动生成，是一种晟理想的用于系统处理器和外设之 间的内联总线。每当一个新的组件被添加到系统中或是某个外设的优先级被改 变了，就会有一个新的、最佳的交换式总线被生成。整个过程都由s o p c b u i l d e r 来自动完成，所以用户可以很容易的修改他们的系统以提高性能或给他们的系 统增加功能。 a v a l o n 交换式总线使用最少的逻辑资源来支持数据总线的复用、地址译码、 等待周期的产生、外设的地址对齐( 包括支持原始的和动态的总线尺寸对齐) 、 中断优先级的指定以及高级的交换式总线传输。图2 3 所示为多主设备和多从设 备如何连接到a v a l o n 交换式总线中。 蛊嚣诋= 龆 御 栅 懈帅 懈 n n k 岫h t 岫* h 血hh i 出h + llll e t s m 2 q m lq m s i 坩， 馏。帮絮铲柚j 喘搿 f i g 23 a v a l o ns w i t c h e 1 一f a b r i c b u s t e c h n o l o g y 图2 3a v a l o n 交换式总线 a v a l o n 总线规范的制定是为了适应可编程芯片系统( s o p c ) 上的外设的开 发。这个规范给那些外设设计工程师提供了一个基本的描述基于地址的 a v a l o n 总线上主( 微处理器) 从( 存储器、u a r t 、定时器外设等) 设各的读 写口。这个规范还描述了各个端口在a v a l o n 交换总线上的传输方式。根据规范， 任何一个a v a l o n 上的主设备都可以动态的连接到a v a l o n 上的任何一个从设备 上。 甲甲 西华大学硕士学位论文 2 3s o p c 开发流程 本设计选用的是a l t e r a 公司的产品，利用a l t e r a 公司的f p g a 及软核n i o s i i ， 故在此处只说明利用a l t e r a 的e d a 工具开发s o p c 的流程。 s o p c 系统的开发流程一般分为硬件和软件两大部分，如图2 4 所示。硬件 ( 按照习惯说法，将一个s o p c 系统中的n i o si ic p u 和外设等统称为硬件，虽 然它也是由软件来实现的；而在这个系统上运行的程序称为软件) 开发主要是 创建n i o si i 系统，作为应用程序运行的平台；软件开发主要是根据系统应用的 需求，利用c c + + 语言和系统所带的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ， 应用程序接口) 函数编写实现特定功能的程序。这其中用到的主要工具是a l t e r a 公司的q u r r t - u si i 和n i o si ii d e 。 处理器库 外设库 空 尊 嚣jtaguaethemet 刊= 、： ，l r r t ， 上 j l 一 可执行 代码 软件跟踪， 硬件断点， s i g n a l t a pi i 皂塞型塑全l ! 塑口 软件开发 n i o s i i l d e 丽买文秤一 自定义库 外设驱动 编译、连接、调试 用户代码 库 o r t o s f i g 2 4f l o wd i a g r a mo fs o p cs y s t e md e v e l o p 囤2 4s o p c 系统开发流程 9 糟苫 一一 一 西华大学硕士学位论文 2 4 基于s o p c 的软硬件协同设计 面向s o p c 的软硬件协同设计流程从目标系统构思开始。对一个给定的目 标系统，经过构思，完成其系统整体描述，然后交给软硬件协同设计的开发集 成环境，由计算机自动完成剩余的全部工作。一般而言，还要经过模块的行为 描述、对模块的有效性检查、软硬件划分、硬件综合、软件编译、软硬件集成、 软硬件协同仿真与验证等各个阶段【8 】【9 】【1 0 1 。 软硬件协同设计流程如图2 5 所示。其中软硬件划分后产生硬件部分、软件 部分和软硬件接口界面三个部分。硬件部分遵循硬件描述、硬件综合与配置、 生成硬件组件和配置模块；软件部分遵循软件描述、软件生成和参数化的步骤， 生成软件模块。最后把生成的软硬件模块和软硬件界面集成，并进行软硬件协 同仿真，以进行系统评估和设计验证。 目标系统构思 上 系统规范描述 上 模块的行为描述 j 软硬件划分 上 性能评估 上 i 硬件接口、接口 l 综合、软件编译 上 软硬件协同仿真 上 系统评估与设计 验证 f i g 2 5f l o wd i a g r a mo fh a r d w a r e s o f l w a r eo o _ c k - s i g n i n g 图2 5 软硬件协同设计流程 1 0 西华大学硕士学位论文 第三章心电监护系统硬件电路设计 本系统硬件电路包括f p g a 的外围电路以及心电信号调理模块硬件电路设 计，f p g a 的外围电路主要为系统提供硬件平台，心电调理电路模块是硬件电 路的核心，包括对心电信号的放大以及处理，整体的硬件框图如下图3 1 所示： 令 j l u 调试模 保护与前置放大电路 曲 一1 7 卜一 卜n i o s l l 处理r “通用 一功能 以h n - 卅按键。 y隙挟h 器尴 带通滤波电路 人 之多 仁灞：刮l c d s d l 幽l 仨当 誓 t ：圆： 一l yj i 体八 j 。 、，1 仁i 模块卜v 以太网 电 叫 5 0 h z 陷波电路 极 之乡 光电隔离电路 1 ：1 a s h 蚓f 控l 制a s 器h 同 之乡 存储器 “ 后级放大电路 叫 e p 2 c s 0 2 0 t c t c v a o i i 心电调理电路模块f l g a 及其外围电路 f i g 3 1h a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo f t h ee c gm o n i t o r i n gs y s t e m 图3 1 心电监护系统的硬件框图 3 1f p g a 的外围电路设计 f p g a 的外围电路是整个s o p c 系统稳定工作的保证，它包括j t a g 及a s 配置电路、按键电路、存储电路、s d 卡接口电路、l c d 液晶控制电路、以太 网接口电路、a d 转换电路、晶振电路及电源电路。 3 1 1j t a g 及a s 配置电路 本系统提供两种配置方法： 西华大学硕士学位论文 1 调试时，使用运行在计算机上的q u a r t u si i 软件，通过j t a g 电缆连接 到目标板上1 0 针j t a g 接口直接下载配置数据到f p g a 。用户随时可以进行 j t a g 模式的配置；但要注意j t a g 配置模式是直接对f p g a 中s d r a m 单元编 程，掉电后数据丢失，因此重新上电要重新下载。 2 在脱机运行时，采用串行配置器件e p c s 4 进行主动配置( a s ) 。主动串 行配置模式( a s ) 是将配置数据存储在串行配置器件e p c s 4 中，在每次系统上电 时f p g a 会自动使用e p c s 4 中的配置数据进行配置。在脱机运行之前，要事先 将配置数据通过下载电缆写入e p c s 4 中。 用户可以通过f p g a 上的m s e l 0 、m s e l l 两个引脚的状态来选择表3 1 中所列模式中的一种来进行f p g a 配置，由于目标板只使用主动配置和j t a g 配置模式，所以可将m s e l 0 和m s e l l 引脚接地。 表3 1 配置模式设置 t a b l e 3 1c o n f i g u r a t i o nm o d es e t t i n g m s e l om s e l l配置模式 0oa s olp s o0 或1j t a g f i g 3 2c o n f i g u r a t i o nc i r c u i t 图3 2 配置电路 1 2 西华大学硕士学位论文 3 1 2g - c t 电路 本系统使用4 个按键与f p g a 的i o 相连，其中一个用于系统的复位，都 是低电平有效，如图3 3 ： v o c 轮 产 窿f p u 3 严 1 1 强i j【j【 x e y i 盎高毒 k 隧2嗡毒 x 瞰 。一高毒 s y sf s t 乏高毒 3 1 3 数据存储电路 f i g 3 3k e y c i r c u i t 图3 3 按键电路 本系统的存储器有用于配置数据并进行主动配置的串行器件e p c s 、用于作 为n i o si i 处理器的程序运行空间s d r a m 和用于存储应用程序的f l a s h 。 1 3 西华大学硕士学位论文 f i g 3 4 f l a s hm e m o r yc i r c u i t 图3 4f l a s h 存储器电路 系统选用的f l a s h 是i n t e l 生产的t e 2 8 f 3 2 0 j 3 c ，此芯片可以选择8 位或1 6 位数据宽度，我选用的是8 位的数据宽度连接方式，所以将b y t en 管脚通过 下拉电阻接地，在使用时也是使此管脚输出低电平；w p1 1 输出高电平，r e s e tn 与f p g a 没有连接；o en 是f l a s h 输出使能信号，也就是f p g a 读f l a s h 的控 制信号；r wn 是写使能信号，也就是f p g a 对f l a s h 的些控制信号；c sn 是 片选信号，各管脚连接图3 4 如： s d r a m 是“s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y 的缩写，意思是 “同步动态随机存储器 ，就是我们平时所说的“同步内存 ，从理论上说， s d r a m 与c p u 频率同步，共享一个时钟周期。本系统使用的是三星公司的 k 4 s 6 4 1 6 3 2 h ，此芯片为6 4 m b i t 即8 m b y t e s 的容量，宽度为1 6 位，其典型电路 连接方式如图3 5 ： 1 4 西华大学硕士学位论文 a d d o 2 3 a o d 0 0 2d q o a d d ：2 44 d q l a d d 2 2 5 a l d q l 5 d q 2 a d d 3 2 6 a 2 d q 2 a d d 崞2 9 a s d o s 7 刚 a d d 53 0 md q 4 gd q 4 a d o 晦3 l a 5 d q 5 1 0d q 5 a d d 3 2 a f t d q 6 】ld q 辱 a d d s3 3 a 7d q 7 1 3d q a d d 93 4 a l l d q s 4 2d q 8 a d 【 i o 二 a 9 d q 9 “d q 9 a 1 0 i = t a p d q l 0 4 5d q i 0 a d d l 】3 54 7d q l l a n d i q l l b a o2 0 d q l ： 4 8d q l 2 bag)dql3 5 0d q - 3 b a i2 l5 ld q l 4 b a l d q i , t d q l 5 5 3d q l 5 c x e 3 7 c 譬ex t , q e 1 6x t r l 巳 c l k 3 9=1 7c a $ c l kc a s zd q m1 5 袁 s 二 1 8r 0 d o m 岱 = 1 9 锚 u i ： q 氏i3 9 u d q l 遽 2 8 l 惜 1 4 v d d缁 4 1 2 7 t 】翻口嚣s 5 4 i 3 v d d v 籀q 6 9 v d d q 辫q 1 2 4 3 v d d qv 鹦q 4 6 v 】d d q 、：瞄q 5 2 4 9 v d d q 3 6 n c n c 压町 4 0= _ _ _ _ _ - _ _ - - - - 一 一 由于s d r a m s d r a m 中，串行 冀。盘5 1 6 3 2 k f i g 3 5 s d r a mm e m o r yc i r c u i t 图3 5s d r a m 存储器电路 存储器的易失性，f p g a 每次上电后必须重 配置器件是具有一个串行接口的闪存器件， 新装载配置数据到 可以保存c y c l o n e i i 系列f p g a 的配置数据，当上电或重新配置时，装在配置数据到f p g a 中。 我所选用的e p c s配置器件 3 1 4s d 卡接口电路 为e p c s 4 ，3 3 v 操作电压，具有4 m b i t 的容量 s d 卡( s c c u r cd i g i t a lm e m o r yc a r d ) 是一种基于半导体快闪的新一代记忆设 备。由日本松下、东 小犹如一张邮票，重 芝及美国s a n d i s k 公司于1 9 9 9 年8 月共同开发研制。其大 量只有2 9 ，却拥有高记忆容量、快速的数据传输率、极大 1 5 西华大学硕士学位论文 的移动灵活性以及很好的安全性【】。本系统中使用s d 卡来存储采集的心电信 号数据，能对心电数据进行长时间的记录。s d 卡的接口支持s d 模式和s p i 模 式，主机系统可以选择其中任一模式。s d 卡模式允许4 线的高速传输。s p i 模 式允许简单通用的s p i 通道接口，这种模式相对于s d 模式的不足之处是降低了 速度，但是s p i 接口是当前比较常用的一种接口方式，因此本设计使用s d 卡的 s p i 模式，电路如下图3 6 所示： 表3 2s d 卡卡座连接引脚功能表 t a b l e 3 2c o n n e c t i n gp i ns dc a r dm e n u 接口含义 s dw p 卡写保护检测线：写保护时该引脚是高，否则为低电平 s d i n s e r t 卡插入检测线：s d 卡插入，该引脚为低电平，否则为高电平 s d d a t 0 数据线b i t 0 s d d a t l 数据线b i t l s d d a t 2 数据线b i t 2 s d d a t 3 数据线b i t 3 s d c m d 双向的命令响应信号 s d c l k 时钟信号，由主机发出，用于同步主机之间的数据传输 00i36 sdarintrfaceciruit(spimod)6s卡接口电路(spi模式)6 西华大学硕士学位论文 图3 7 是自行设计的s o p c 系统中与s dc a r d 控制相关的部分，除了添加 s p i 核外，还需要添加5 个用于控制的lb i tp i o 。它们其中的3 个是：1b i t 只输 出s d i n s e r t ，1b i t 只输出s d w p ，1b i t 只输出s d _ p o w e r ，具体功能见表3 1 。 另外为了满足s d 卡的控制要求，在n i o si i 系统中要使用了一个1b i t 只输出p i o 核负责在对s d 卡下拉电时拉低s p i 接口；一个1b i t 只输出p i o 核负责利用软 件对s p i 从设备进行片选。 - 嘲皿f o l 目蛳碰曙 _，-_ i 缀 - j 。、 。致膨了r ，n 懋 l _ _ ，、 p 常帅严r l r v 甲 “r 。p p o r q 。p 。 l l 一， 聪l ： - o i i | 酬f 咖l l i e ! 耐即f l ：r 。、 b 碍了n 娥鞠嬲 - _ 一一 誓0 s l 嘲l i i e 碰喇 _ ： l _ ， r 甲r - r 1 f “r f 1 “h 。r q r “r 。r “r 1 r 1 。r 。 l 蟮l 冀 - s c i 咒咖豫缱剐 1 箑船剐得z i 。鼎。：二。 礤剐 ： ：；蠛i ： 7s o p c s y s t m 、i t l ls dc r d r e l a t e dp a r to f c o t r o l s o p c 统中与s d 卡控制相关的部分3 1 l c d 液控制电路 观的显示出来采集到信号的波形和数据，需要显示设备的支持。 本设计的lcd屏是wistron公司26万色t32qm6450型的液晶显示屏，该 型号显具有240*320的分辨率，33v电压供电。如图38所示，该屏具有 30个，rd、wr分别是读、写控制信号，reset是复位信号，另还有16 位的数线。1 7 西华大学硕士学位论文 f i g 3 8 l c dc o n t r o lc i r c u i t 图3 8 液晶控制电路 ll e o 瑟，乙：- e o p 2l 巨d b ，乙乙巨d p r 乃茂c 硅三z i v 恨w r l t ol 5雕：o m m 相l 飘h )z 6 r 苣s 芒tc d rr e - e tl 73 r h t o $ o l o o iz 嚣d od a l a i 尬 譬 口- ：) 毛t de 砒：茂) l o0 3 ) m b u i o it0 5o i i z 矗 哪z ，o t2泓 ) d 船务u ，r 7 t = ) t 30 5o - a i a 话u ，z ， o 1 4 d 6 ) 。n z i ，o 50 7o a ：ab u 描f ，o 1 6o 一8o “m b u 5l l ) d t db u l j