基于FPGA的心電監(jiān)護(hù)儀的片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于FPGA的心電監(jiān)護(hù)儀的片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)心電監(jiān)護(hù)儀是醫(yī)院實(shí)用的精密醫(yī)學(xué)儀器，能同時(shí)監(jiān)護(hù)病人的動(dòng)態(tài)心電圖形（一般為五聯(lián)導(dǎo)心電圖）、呼吸、體溫、血壓（分無(wú)創(chuàng)和有創(chuàng)）、血氧飽和度、脈率等生理參數(shù)?？纱鎯?chǔ)400組無(wú)創(chuàng)血壓數(shù)據(jù)及測(cè)量血壓時(shí)的心率值、體溫、呼吸率、血氧飽和度，并可列表查看。監(jiān)護(hù)儀是一種以測(cè)量和控制病人生理參數(shù)，并可與已知設(shè)定值進(jìn)行比較，如果出現(xiàn)超標(biāo)可發(fā)出警報(bào)的裝置或系統(tǒng)。監(jiān)護(hù)儀與監(jiān)護(hù)診斷儀器不同，它必須24小時(shí)連續(xù)監(jiān)護(hù)病人的生理參數(shù)，檢出變化趨勢(shì)，指出臨危情況，供醫(yī)生應(yīng)急處理和進(jìn)行治療的依據(jù)，使并發(fā)癥減到最少達(dá)到緩解并消除病情的目的。監(jiān)護(hù)儀的用途除測(cè)量和監(jiān)護(hù)生理參數(shù)外，還包括監(jiān)視和處理用藥及手術(shù)前后的狀況。FusiON系列的FPGA是世界上首個(gè)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(shè)計(jì)帶來(lái)的諸多問(wèn)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(jí)。同時(shí)在數(shù)字系統(tǒng)中引入模擬電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。1FusionFPGA介紹Fusion是AMD的運(yùn)營(yíng)理念，完美地將創(chuàng)新和協(xié)作結(jié)合為一體。Fusion不僅僅是微處理器和圖形顯示技術(shù)的融合，它還是一種可幫助AMD及其合作伙伴開(kāi)發(fā)下一代解決方案的流程，通過(guò)靈活地結(jié)合技術(shù)集成、客戶親和力和行業(yè)影響來(lái)改變?nèi)藗兊墓ぷ?、生活和娛?lè)方式。Fusion還使客戶需求和期望與AMD自己的工程熱情及獨(dú)特的實(shí)力相結(jié)合。FusionFPGA的主要特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

（1）單芯片：無(wú)需配置芯片；

（2）高安全性：晶體管受7層金屬保護(hù)，具有AES和FlashLock加密技術(shù)；

（3）高可靠性：對(duì)高能量粒子轟擊具有免疫作用，具有很強(qiáng)的固件錯(cuò)誤免疫功能；

（4）上電即行：上電時(shí)間非常短，一般只有幾十個(gè)微秒左右；

（5）低功耗：無(wú)論是動(dòng)態(tài)功耗還是靜功耗都低于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，IGLOO最低可達(dá)5?滋W;

（6）低系統(tǒng)成本：無(wú)需配置芯片，小功率電源芯片，無(wú)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(shí)現(xiàn)原理具體片上系統(tǒng)框圖如圖2所示。經(jīng)過(guò)心電信號(hào)采集傳感器采集的心電信號(hào)接入12位ADC,ADC將心電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)被BUF鎖存，然后送給Core8051供其采集處理。Core8051中設(shè)計(jì)算法，將ADC傳來(lái)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(dòng)模塊。

2.1ADC模塊設(shè)計(jì)ADC,Analog-to-DigitalConverter的縮寫，指模/數(shù)轉(zhuǎn)換器或者模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。真實(shí)世界的模擬信號(hào)，例如溫度、壓力、聲音或者圖像等，需要轉(zhuǎn)換成更容易儲(chǔ)存、處理和發(fā)射的數(shù)字形式。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，在各種不同的產(chǎn)品中都可以找到它的身影。FusionFPGA內(nèi)含采樣精度和轉(zhuǎn)換時(shí)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(dá)600Ks/s采樣率，器件內(nèi)部具有2.56V的參考源，誤差在12位模式下為±6LSB,具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能。利用FPGA內(nèi)部邏輯單元對(duì)ADC進(jìn)行配置：設(shè)置ADC精度為12位，參考電壓采用幅值為2.56V精度為1%片內(nèi)電壓源供電，同時(shí)FPGA內(nèi)部的ADC具有Prescaler（預(yù)處理器），所以可以靈活地設(shè)置采樣電壓的范圍，更進(jìn)一步保證了AD轉(zhuǎn)換的精確度。ADC初始化工作過(guò)程如下：

（1）等待ADCRESET管腳釋放無(wú)效；

（2）ADCRESET管腳釋放無(wú)效后，ADC上電自校準(zhǔn)；

（3）上電校準(zhǔn)后（CALIBRATE=1），對(duì)ACM進(jìn)行配置；

（4）配置完成后，通過(guò)ADC_START來(lái)使ADC工作。FPGA內(nèi)部邏輯單元進(jìn)行ADC的配置和初始化工作，從而控制ADC采樣，具體過(guò)程如圖3所示。

2.2控制核心Core8051模塊設(shè)計(jì)FPGA內(nèi)部可以嵌入高速的Core8051處理器內(nèi)核，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)有序地調(diào)用其余各功能模塊，同時(shí)又兼有數(shù)據(jù)處理任務(wù)，負(fù)責(zé)將ADC傳來(lái)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(shí)鐘速度可以達(dá)到33MHz,ROM的大小可以根據(jù)需要靈活地設(shè)置，該設(shè)計(jì)配置為64KB.片內(nèi)DATARAM僅需256B即可完成驅(qū)動(dòng)VG