摘  要： 利用Actel公司的基于Flash構(gòu)架的模數(shù)混合型Fusion系列FPGA芯片,，設計了一款低功耗片上的心電監(jiān)護儀采集顯示系統(tǒng)。結(jié)合Fusion系列的FPGA芯片的各種資源,，實現(xiàn)了心電采集預處理模塊,、數(shù)據(jù)的處理和顯示模塊的系統(tǒng)集成，完整地形成了片上系統(tǒng),。
關(guān)鍵詞： 心電監(jiān)護,；FPGA,；片上系統(tǒng)

    心電監(jiān)護儀器的研制起源于國外,，目前由于我國醫(yī)院用的心電監(jiān)護儀體積大、價格昂貴,、維護費用高,，使用起來極其不便，因此儀器無法滿足家庭與鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院的使用要求,。針對這種狀況,，一種小型、價格低廉,、便于維護的多功能心電監(jiān)護儀具有相當?shù)氖袌龈偁幜1],。
    Fusion系列的FPGA是世界上首個基于Flash構(gòu)架的模數(shù)混合的FPGA，即在數(shù)字FPGA的基礎(chǔ)上加入了模擬電路部分,，解決了傳統(tǒng)模擬電路和FPGA分離給設計帶來的諸多問題,，降低了PCB板的制作難度，縮小了產(chǎn)品的體積,。FPGA的可編程性使得系統(tǒng)易于升級,。同時在數(shù)字系統(tǒng)中引入模擬電路，簡化了系統(tǒng)電路設計,。
1 Fusion FPGA介紹
    Fusion FPGA的主要特點主要體現(xiàn)在：
    (1)單芯片：無需配置芯片,；
    (2)高安全性：晶體管受7層金屬保護,，具有AES和Flash Lock加密技術(shù)；
    (3)高可靠性：對高能量粒子轟擊具有免疫作用,，具有很強的固件錯誤免疫功能,；
    (4)上電即行：上電時間非常短，一般只有幾十個微秒左右,；
    (5)低功耗：無論是動態(tài)功耗還是靜功耗都低于競爭對手,，IGLOO最低可達5 ?滋W;
    (6)低系統(tǒng)成本：無需配置芯片，小功率電源芯片,，無需加密芯片,，PCB面積更小。
    Fusion系列FPGA內(nèi)部框架如圖1所示,。

2 片上系統(tǒng)的實現(xiàn)原理
    具體片上系統(tǒng)框圖如圖2所示,。經(jīng)過心電信號采集傳感器采集的心電信號接入12位ADC，ADC將心電模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號被BUF鎖存,，然后送給Core8051供其采集處理,。Core8051中設計算法，將ADC傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成VGA可以顯示的數(shù)據(jù),，然后送給VGA驅(qū)動模塊,。

2.1 ADC模塊設計
    Fusion FPGA內(nèi)含采樣精度和轉(zhuǎn)換時間可以靈活配置的AD轉(zhuǎn)換器，為靈活的AD轉(zhuǎn)換方案提供了可能性,。作為一種逐次逼近型ADC,，這種轉(zhuǎn)換器具有高達600 Ks/s采樣率，器件內(nèi)部具有2.56 V的參考源,，誤差在12位模式下為±6 LSB,，具有自動校準功能。
    利用FPGA內(nèi)部邏輯單元對ADC進行配置：設置ADC精度為12位,，參考電壓采用幅值為2.56 V精度為1%片內(nèi)電壓源供電,，同時FPGA內(nèi)部的ADC具有Prescaler（預處理器），所以可以靈活地設置采樣電壓的范圍,，更進一步保證了AD轉(zhuǎn)換的精確度,。ADC初始化工作過程如下：
    (1)等待ADCRESET管腳釋放無效；
    (2)ADCRESET管腳釋放無效后,，ADC上電自校準,；
    (3)上電校準后（CALIBRATE=1）,對ACM 進行配置；
    (4)配置完成后,，通過ADC_START來使ADC工作,。
    FPGA內(nèi)部邏輯單元進行ADC的配置和初始化工作，從而控制ADC采樣,，具體過程如圖3所示,。

2.2 控制核心Core8051模塊設計
    FPGA內(nèi)部可以嵌入高速的Core8051處理器內(nèi)核,，它是整個系統(tǒng)的核心，負責有序地調(diào)用其余各功能模塊,，同時又兼有數(shù)據(jù)處理任務,，負責將ADC傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成VGA可以顯示的數(shù)據(jù)。Core8051的硬件配置非常靈活,，時鐘速度可以達到33 MHz,，ROM的大小可以根據(jù)需要靈活地設置，該設計配置為64 KB,。片內(nèi)DATA RAM僅需256 B即可完成驅(qū)動VGA的功能,，也可以擴展外部64 KB RAM，從而完成更強大的軟件功能,。系統(tǒng)中設置單片機的片內(nèi)DATA RAM為256 B,，并通過系統(tǒng)總線擴展了外部64 KB的SRAM，系統(tǒng)框圖如圖4所示,。

2.3 彩色顯示驅(qū)動模塊
    比較成熟的TFT_LCD顯示驅(qū)動的開發(fā)大多數(shù)基于ARM[2-3],、DSP[4]的平臺。然而本系統(tǒng)使用的處理器是Coer8051,，所以沒有辦法移植原有的驅(qū)動模塊,。又因為圖像數(shù)據(jù)比較大，對處理器運算能力的要求比較高,，所以結(jié)合Core8051和FPGA的特點重新設計了一種算法,，降低需要處理的數(shù)據(jù)量，從而在Core8051的能力范圍內(nèi)來完成心電圖像信息的顯示,。
    為了顯示一幅完整的圖像,，按照液晶掃描的時鐘順序?qū)⑹孪葴蕚浜玫囊粠瑘D像數(shù)據(jù)逐次地輸入到數(shù)據(jù)端口,，從而完成一幀圖像的顯示,。由于要顯示的圖像只有心電信號是動態(tài)變化的，而其他的都是相對靜止不動的,，也就是每一次掃描時數(shù)據(jù)信息是不變化的,，整幅的圖像被分成動態(tài)的（心電圖像）和靜態(tài)的（背景、標度）兩部分,。動態(tài)的由Core8051產(chǎn)生,，并在特定時刻輸入到TFT_LCD；靜態(tài)的圖像信息事先存儲到FPGA中的存儲器中,，每掃描一次都按照特定的順序輸入到LCD,。通過這種方法，Core805就只需處理心電信號的信息,，從而大大地減少了圖像數(shù)據(jù)的處理量,，并完成圖像的顯示,。該模塊的設計完成了低端處理器很難完成的實時彩色界面的驅(qū)動，即僅使用帶有256 B RAM的Core8051就可以顯示256色界面,。
    根據(jù)上述設想,，可將液晶屏分成動態(tài)部分和靜態(tài)部分，如圖5所示,。

    圖5中除了“心電信號動態(tài)顯示區(qū)”中顯示出動態(tài)的心電圖像,，其他部分包括“動態(tài)顯示區(qū)”中的背景圖像信息全部事先存儲在FPGA內(nèi)部的Flash存儲器中。
    動態(tài)顯示區(qū)可以用兩組數(shù)據(jù)來標注,，設為：x0,，y0，x1,，y1,，則這個動態(tài)顯示區(qū)每個定點的坐標就可以表示為（x0，y0）(x0,，y1)(x1,，y0)(x1，y1),。如圖5所示,， 橫坐標表示時間t/s，縱坐標表示心電信號的幅值大小U/v,，（x0,，y0）處為（0，0）坐標點,。在Core8051的基礎(chǔ)上設計編碼算法,，對采集到的心電信號進行編碼，然后將心電信號轉(zhuǎn)換成顯示屏的坐標信號,，然后根據(jù)坐標信號計算出心電圖像的數(shù)據(jù),，并在掃描時鐘的控制下逐次將數(shù)據(jù)按照順序輸入到LCD中， 這樣即可實現(xiàn)動態(tài)的心電圖像的顯示,。
    心電信號動態(tài)顯示區(qū)的設計采用了3種方法,，分別為：
    (1)移位寄存器法。在FPGA內(nèi)部構(gòu)建一個240位移位寄存器作為心電圖像的緩存,，Core8051實時地采集數(shù)據(jù)然后發(fā)送到移位寄存器內(nèi)部,，同時CRT驅(qū)動模塊按照自己的時序來不斷地掃描移位寄存器，從而顯示出心電圖像,。這種方法的缺點是動態(tài)曲線顯示的連續(xù)性不好,。
    (2)雙RAM緩存法[5]。利用Core8051外部擴展的64 KB
RAM作為心電波形信號的緩存,，同時在CRT驅(qū)動模塊中再設計一個心電波形顯示緩存,，這樣Core8051就可以先采集心電信號存儲在外部擴展的64 KB RAM中,，達到某一數(shù)量后，連續(xù)地發(fā)送給CRT驅(qū)動模塊中的緩存,，從而顯示出動態(tài)的心電信號圖像,。該設計的一個最大優(yōu)點是圖像顯示連續(xù)（沒有拋棄任何時刻的心電數(shù)據(jù)），同時又可以根據(jù)需要選擇觀察采集到的任何時刻的心電波形,。但由于要采集一定數(shù)量的心電波形數(shù)據(jù),，因此心電波形的顯示會有一定時間的延時。
    (3)單RAM緩存法,。在Core8051沒有擴展外部64 KB RAM的前提下設計的,，利用一個雙端口的RAM作為動態(tài)顯示區(qū)的圖像緩存，Core8051通過其中的一個寫端口向圖像緩存中寫入數(shù)據(jù),，VGA控制器通過另外一個端口從圖像緩存中讀出數(shù)據(jù),，兩者互不影響。同時設計算法使雙端口RAM具有位讀寫能力,，即利用Core8051來靈活地讀寫雙端口RAM中的任何一位,這樣對圖像數(shù)據(jù)的處理就非常靈活了,。這種設計的最大優(yōu)點是如方法(1)一樣可以實時地顯示。
    本文結(jié)合(2),、(3)兩種方法進行系統(tǒng)的設計,，彌補了各種方案的缺點，實現(xiàn)了動態(tài),、實時顯示的功能,，使得片上系統(tǒng)的功能變得完善。這種設計結(jié)合了FPGA的可編程性成功解決了低端8位處理器無法驅(qū)動彩色TFT_LCD動態(tài),、實時顯示的問題,。在此基礎(chǔ)上，還可以利用FPGA和Core8051的資源開發(fā)其他的功能模塊,，例如與PC機的通信,、SD卡大量心電數(shù)據(jù)存儲、心電分析與報警等,。
3 系統(tǒng)測試及結(jié)果
    心電信號能力集中在中低頻段,，隨著頻率的升高，響應的能量也逐漸降低[6],。利用信號發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率和幅值的正弦信號來模擬心電信號，并將其加到心電信號輸入端口,，可以看到CRT顯示器上顯示出和輸入信號完全一致的正弦波形,，沒有任何失真。
    Fution模數(shù)混合信號芯片的誕生給小型化,、便攜式片上系統(tǒng)的設計帶來了可能,本文通過對FPGA各種資源的綜合應用完成了一種心電監(jiān)護儀的片上系統(tǒng)的設計,，通過實際的測試驗證了它的準確性,。系統(tǒng)的所有功能都是在FPGA上完成的，所以它的單芯片性和FPGA可編程性,，給產(chǎn)品的升級帶來了極大的便利,。
參考文獻
[1] 呂德剛，李軍.微型心電監(jiān)護儀的開發(fā)[J].電子世界,，2008,，30(12).
[2] 葉一初，胡方明.基于ARM7的心電采集與遠程傳輸系統(tǒng)設計[J].電子設計工程,，2009,，17(6)：83-85.
[3] 侯立亞.基于ARM的心電采集系統(tǒng)的設計[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006,，27(1).
[4] 李曉燕.基于DSP的便攜心電數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機,，2006，19(9)：54-55.
[5] 龔小年,，張興敢.雙口RAM的發(fā)展及在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中的應用[J].微處理機,，2007(4)：110-111.
[6] 何偉.心電信號及各組分的頻率分布和有效帶寬研究[J].生物醫(yī)學工程學，1996,，12(4)：336-340.