基于FPGA的嵌入式脈象采集儀硬件電路設計

　　脈診作為中醫最重要的一種診斷方式，具有模糊性、不確定性的特點，是近年來中醫現代化研究中的熱點。隨著電子、計算機技術的快速進步，將嵌入式技術、 FPGA技術、IP核技術結合在一起，融合電子技術、信號處理方法等學科知識，在中醫基本理論的指導下，設計脈象診斷設備，構建一個靈活高效，可擴展性強，可靠性高，功耗低，可便攜的脈象采集儀具有重要的現實意義和良好的市場前景。

　　1 儀器總體設計

　　嵌入式脈象采集儀的前期設計目標是脈搏信號的采集、存儲、顯示、簡單處理、通信等，后期要對所采集到的信號處理，得到脈象特征，對病人做出診斷。在 FPGA的選型時，不但要考慮當前功能是否夠用，價格適中，而且要考慮產品的升級換代，所以設計的系統選擇Alt-era公司Cyclone II系列EP2C35F484C8作為核心芯片。以FPGA芯片為核心的嵌入式脈象采集儀的結構組成如圖1所示。從圖1中可以看出，硬件主要由電源、顯示、存儲器、脈象采集、FPGA、通信等6個模塊組成。

　　2 主要外圍電路設計

　　由于在FPGA內部采用VGA控制器IP核，選擇模擬儀器公司的10位高速視頻DAC芯片。

　　SRAM采用IDT公司的IDT71V416器件，利用2片IDT71V416器件構成32位存儲器，以與NiosⅡ的32位CPU的總線匹配。對 SRAM的控制，選用Altera公司提供SRAM控制器核，其控制信號由SoPC自動生成。SDRAM為系統中的數據及堆棧提供暫存空間。系統啟動后，程序代碼調入SDRAM中運行，以提高系統的運行速度。系統中采用HYNIX公司的64 MB SDRAM，型號為HY57V561620HT。它提供LVTTL接口，分為4個BANK，每個BANK容量為4 M×16 b。由BA0，BA1的狀態決定選定那個BANK。FLASH存儲器的設計采用AMD公司的AM29LV128M器件。可以自由選擇數據的位數為16 b或者8 b，但是最高位是模式位，采用IP核完成設計，具有比較優越的性能。

　　2.1 通信模塊的設計

　　采用非常普遍的串行口通信。RS 232串行總線具有結構簡易，成本低廉，硬軟件支持豐富，安裝方便等特點。雖然RS 232的速度稍微慢了點，但是對于頻率小于100 Hz信號的采集還是足能滿足的。采用MAXIM公司的max3232作為串口轉換芯片，其供電電壓為3～5V，速度可以達到1 Mb/s，具有良好的性能。

　　2.2 脈象采集模塊的設計

　　脈象采集模塊包括傳感器、儀器放大器、采樣保持器、A/D轉換器等，是脈象采集儀的關鍵部分。

　　脈象采集儀的傳感器決定著采集的質量，設計采用硬面壓力傳感器，型號為華科公司的HK2000G脈搏傳感器。利用這種傳感器合理設計系統，采集到的脈搏信號能較好地達到要求標準。

　　選用ADI公司的儀器放大器AD620來放大采集到的脈搏信號。AD620非常適合于壓力感測方面的應用。設計系統需要采集三路脈象信號，為了節省脈象信號模擬數字轉換和濾波的成本，在信號的前端，設計模擬多路開關，進行多路復用功能。脈象信號較微弱時，為了較少地引入噪聲，采用AD7501模擬開關。

　　A/D轉換器選用內帶采樣保持器、高精度基準電源、內部時鐘和三態緩沖的數據輸出AD678。它是12位分別率，5μs轉換時間的ADC。具有外部結構簡單，使用方便，精度高的特點。

　　3 FPGA模塊的關鍵電路設計

　　3.1 脈象采樣控制器的設計

　　為了使設計簡單化，對于脈象采集控制的FPGA設計，采用在SoPC系統外做控制電路部分，然后通過SoPC的PIO與SoPC連接。由脈象信號采樣的組成可知，脈象采集與FPGA相連的只有數據線接口和控制線，3路脈搏信號和3路信號共用一個ADC。

　　由于脈搏信號的頻率較低，大多在100 Hz以下，所以每一通道的脈搏信號采樣頻率設定為1 kHz左右就能滿足采樣的需要，也就是1 ms的時間間隔要對3個通道循環1遍。每一通道都經過數據采集初始化、啟動采集、數據輸出、鎖存等4步，計算每一步時間約為83μs。也就是說，如果每一步都能在83μs內完成，就可以利用1個周期為83μs的外部時鐘控制狀態的翻轉。AD678的轉換時間是5μs，而NIOSⅡ的操作時間在ns級，所以 83μs內完全能夠完成每一步的操作需要。采集控制部分分為2部分實現，一部分實現83μs的時序，另一部分是采集的狀態機設計。83μs的實現采用外部時鐘分頻的方法，采集狀態機的轉換受83μs時序部分的輸出控制。狀態機的設計中，寸、關、尺三部分需要循環一遍，每一部又包括采樣的初始化、啟動轉換、轉換結束、存數據等5步操作。具體源程序如下：

　　完整編譯綜合采集部分后由兩部分組成，如圖2所示。

　　3.2 基于NiosⅡ的SoPC硬件設計

　　利用Altera公司的QuartusⅡ軟件和SoPCBuilder開發工具，可以方便地定制一個從硬件到軟件的完整系統。FPGA內部需要設計以下模塊：NiosⅡ、SRAM控制器、SDRAM控制器、EPCS控制器、FLASH控制器、定時器、VGA控制器、RS 232控制器、脈象采集控制器等。除脈象采集控制器沒有現成的IP核可用，需開發控制時序外，其他控制器采用Altera公司提供的IP核。

　　SoPC系統生成完成后，在QuartusⅡ下建立原理圖窗口，調用設計好的NiosⅡ系統與自己設計的脈象采集系統的控制連接，設計完成后，鎖定引腳，進行完整編譯。完成后的電路如圖3所示。