基于FPGA的心电监护仪的片上系统的设计 - FPGA/ASIC技术 -

心电监护仪是医院实用的精密医学仪器，能同时监护病人的动态心电图形（一般为五联导心电图）、呼吸、体温、血压（分无创和有创）、血氧饱和度、脉率等生理参数。可存储400组无创血压数据及测量血压时的心率值、体温、呼吸率、血氧饱和度，并可列表查看。监护仪是一种以测量和控制病人生理参数，并可与已知设定值进行比较，如果出现超标可发出警报的装置或系统。 监护仪与监护诊断仪器不同，它必须24小时连续监护病人的生理参数，检出变化趋势，指出临危情况，供医生应急处理和进行治疗的依据，使并发症减到最少达到缓解并消除病情的目的。监护仪的用途除测量和监护生理参数外，还包括监视和处理用药及手术前后的状况。

FusiON系列的FPGA是世界上首个基于Flash构架的模数混合的FPGA,即在数字FPGA的基础上加入了模拟电路部分，解决了传统模拟电路和FPGA分离给设计带来的诸多问题，降低了PCB板的制作难度，缩小了产品的体积。FPGA的可编程性使得系统易于升级。同时在数字系统中引入模拟电路，简化了系统电路设计。

1 Fusion FPGA介绍

Fusion是AMD的运营理念，完美地将创新和协作结合为一体。Fusion不仅仅是微处理器和图形显示技术的融合，它还是一种可帮助AMD及其合作伙伴开发下一代解决方案的流程，通过灵活地结合技术集成、客户亲和力和行业影响来改变人们的工作、生活和娱乐方式。Fusion还使客户需求和期望与AMD自己的工程热情及独特的实力相结合。

Fusion FPGA的主要特点主要体现在：
（1）单芯片：无需配置芯片；
（2）高安全性：晶体管受7层金属保护，具有AES和Flash Lock加密技术；
（3）高可靠性：对高能量粒子轰击具有免疫作用，具有很强的固件错误免疫功能；
（4）上电即行：上电时间非常短，一般只有几十个微秒左右；
（5）低功耗：无论是动态功耗还是静功耗都低于竞争对手，IGLOO最低可达5 ?滋W;
（6）低系统成本：无需配置芯片，小功率电源芯片，无需加密芯片，PCB面积更小。

Fusion系列FPGA内部框架如图1所示。

 

2 片上系统的实现原理

具体片上系统框图如图2所示。经过心电信号采集传感器采集的心电信号接入12位ADC,ADC将心电模拟信号转换成数字信号被BUF锁存，然后送给Core8051供其采集处理。Core8051中设计算法，将ADC传来的数据转换成VGA可以显示的数据，然后送给VGA驱动模块。

 

2.1 ADC模块设计

ADC,Analog-to-Digital Converter的缩写，指模/数转换器或者模拟/数字转换器。真实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，需要转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。模/数转换器可以实现这个功能，在各种不同的产品中都可以找到它的身影。

Fusion FPGA内含采样精度和转换时间可以灵活配置的AD转换器，为灵活的AD转换方案提供了可能性。作为一种逐次逼近型ADC,这种转换器具有高达600 Ks/s采样率，器件内部具有2.56 V的参考源，误差在12位模式下为±6 LSB,具有自动校准功能。

利用FPGA内部逻辑单元对ADC进行配置：设置ADC精度为12位，参考电压采用幅值为2.56 V精度为1%片内电压源供电，同时FPGA内部的ADC具有Prescaler（预处理器），所以可以灵活地设置采样电压的范围，更进一步保证了AD转换的精确度。ADC初始化工作过程如下：
（1）等待ADCRESET管脚释放无效；
（2）ADCRESET管脚释放无效后，ADC上电自校准；
（3）上电校准后（CALIBRATE=1），对ACM 进行配置；
（4）配置完成后，通过ADC_START来使ADC工作。

FPGA内部逻辑单元进行ADC的配置和初始化工作，从而控制ADC采样，具体过程如图3所示。

 

2.2 控制核心Core8051模块设计

FPGA内部可以嵌入高速的Core8051处理器内核，它是整个系统的核心，负责有序地调用其余各功能模块，同时又兼有数据处理任务，负责将ADC传来的数据转换成VGA可以显示的数据。Core8051的硬件配置非常灵活，时钟速度可以达到33 MHz,ROM的大小可以根据需要灵活地设置，该设计配置为64 KB.片内DATA RAM仅需256 B即可完成驱动VGA的功能，也可以扩展外部64 KB RAM,从而完成更强大的软件功能。系统中设置单片机的片内DATA RAM为256 B,并通过系统总线扩展了外部64 KB的SRAM,系统框图如图4所示。

 

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