远程心电医疗信号监测系统设计
时间：01-13
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3.3 数据采集控制器设计
为了得到经过前端TLC549芯片转换的心电信号，必须设计一个数据采集控制器，实现对AD芯片的控制与数字化心电数据的获取。该控制器根据TLC549芯片的工作时序与后端数据处理的需要，采用VerilogHDL自行设计。该控制器具有多路采集的特点。
在自TLC549的I／O CLOCK端输入8个外部时钟信号期间需要完成以下工作：读入前次A／D转换结果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次A／D转换。则一路采集时间为：0.5μs×(3+8×2+1)=10μs，而芯片转换时间小于17μs，则整个过程时间花费为27μs。为了有效的利用该控制器，在一路A／D转换期间，同时进行另外一路A／D采样，这样就可以在40μs时间内完成对四路信号的采集，大大提高了工作效率。同时，设计中还加入了一个FSM信号来控制采样时间，从而适应不同频率信号的采样频率。AD芯片的时序仿真图如图3所示。
Din为采集数据的串行输入，时钟由系统时钟通过分频系数得到。设计中，设置了fsm作为采样控制时钟，这样可以根据需要来调整采样速率。由于进行一次AD采样的时间很短，无论采用查询还是中断直接读取都是不现实的，这就需要利用缓冲设计，通过把N次转换的数据暂存在缓冲存储器中来降低中断次数。为了取得连续和正确的采集数据，实现无缝缓冲，鉴于FPGA设计的灵活性，本设计采用了双缓冲存储的乒乓操作结构。本设计通过将AD采样时序控制器交替存储在两个512 B的双口RAM(DPRAM)中实现数据的缓存，当其中一个DPRAM1存储满后即转为存储到另一个DPRAM2中并产生一次中断，这样在控制器写数据到DPRAM2中时系统将有非常充足的时间将DPRAM1中的数据取出。
3.4 显示模块设计
为了能够直观地显示出采集的心电波形，需要显示设备的支持。本设计采用的LCD面板是TFT 320*240 LCD。该LCD模块没有显示控制器，因此需要设计显示控制器IP核来驱动LCD面板。本设计实现的显示控制器IP核采用Verilog HDL设计，支持多种颜色模式，包括18bpp，16bpp，8bpp和自定义模式。图像存储器lcd_fifo是采用片内FIFO，可以根据需要进行词整。256色的颜色查找表采用片内RAM来存储。图像信息能够通过AvaIon总线主端口写入的突发块传输方式进行传输，利用DMA从内存中自动读取，在SDRAM图像存储器image_ram与片上图像数据缓存器lcd_fifo之间建立了一条专用DMA通道，该控制器结构如图4所示。
该LCD控制器IP核主要由4个模块组成：接口模块、内存模块、颜色转换模块和时序模块。
接口模块主要是NiosⅡ处理器对LCD控制器进行控制及状态读取。接口模块主要是以寄存器方式存在的，其中寄存器有：控制寄存器、状态寄存器、DMA地址寄存器和中断寄存器。
内存模块是Avalon总线的主接口部分，在系统启动之后，利用DMA传输模式，通过Avalon总线主端口写入的突发块传输方式，完成图像数据存储器image_ram中的图像数据到片上图像数据缓存器lcd_fifo的独立读取。采用DAM传输方式是为了把NiosⅡ软核处理器从频繁地进行数据读取操作的工作中解脱出来，这样可以大大提高系统的工作效率。
颜色转换模块将读取后的数据根据4种颜色模式不同进行数据读取的转换，其中8bpp和自定义模式由于颜色不足，需要接入颜色查询表处理。自定义模式可以手动对调色板的地址进行预设来定义输出的颜色。
时序模块严格按照LCD的时序编写，其中LCD时钟为5 MHz。通过控制数据使能信号启动lcd_fifo数据输出，逐行扫描显示。同时，设计该模块时，在数据有效信号(DE)有效前，须检查lcd_fifo中是否存有数据，以确定是否进行数据读取和传输；须进行调色板模式设置，在帧传输过程中需要进行模式锁定，以免出现传输错误；须根据不同bpp模式，确定不同的读取时间段，18bpp每次都读取，16bpp间隔1次读取，8bpp间隔4次读取。
3.5数据存储模块设计
本设计选用SD卡作为外接存储硬盘。SD存储卡具有大容量、高性能、安全性好等特点的多功能存储卡，被广泛用于数码相机、掌上电脑和手机等便携式设备中。SD卡上所有单元由内部时钟发生器提供时钟，接口驱动单元同步外部时钟的DAT和CMD信号到内部所用时钟。SD卡有两种通信协议，即SD通信协议和SPI通信协议，与SPI通信协议相比，SD通信协议的最大优点是读写速度快，单根数据线理论上可以达到25 MB／s，四线传输可以达到100 MB／s，本设计采用的是四线SD通信协议。
本设计中对SD卡的协议采用软件编写：首先在SoPC Builder里定义了6个I／O口：SD_CMD，SD_DAT0-DAT3，SD_CLK，分别对应SD卡的命令、数据、时钟端口，然后在NiosⅡIDE上按照SD卡的传输协议编写C程序来对6个I／O口进行操作，以此来实现SD卡的传输协议。在完成SD卡数据块的读写基础上移植了文件系统。FAT16，这样在不影响读写速度的条件下节省FPGA的资源。
为了得到经过前端TLC549芯片转换的心电信号，必须设计一个数据采集控制器，实现对AD芯片的控制与数字化心电数据的获取。该控制器根据TLC549芯片的工作时序与后端数据处理的需要，采用VerilogHDL自行设计。该控制器具有多路采集的特点。
在自TLC549的I／O CLOCK端输入8个外部时钟信号期间需要完成以下工作：读入前次A／D转换结果；对本次转换的输入模拟信号采样并保持；启动本次A／D转换。则一路采集时间为：0.5μs×(3+8×2+1)=10μs，而芯片转换时间小于17μs，则整个过程时间花费为27μs。为了有效的利用该控制器，在一路A／D转换期间，同时进行另外一路A／D采样，这样就可以在40μs时间内完成对四路信号的采集，大大提高了工作效率。同时，设计中还加入了一个FSM信号来控制采样时间，从而适应不同频率信号的采样频率。AD芯片的时序仿真图如图3所示。
Din为采集数据的串行输入，时钟由系统时钟通过分频系数得到。设计中，设置了fsm作为采样控制时钟，这样可以根据需要来调整采样速率。由于进行一次AD采样的时间很短，无论采用查询还是中断直接读取都是不现实的，这就需要利用缓冲设计，通过把N次转换的数据暂存在缓冲存储器中来降低中断次数。为了取得连续和正确的采集数据，实现无缝缓冲，鉴于FPGA设计的灵活性，本设计采用了双缓冲存储的乒乓操作结构。本设计通过将AD采样时序控制器交替存储在两个512 B的双口RAM(DPRAM)中实现数据的缓存，当其中一个DPRAM1存储满后即转为存储到另一个DPRAM2中并产生一次中断，这样在控制器写数据到DPRAM2中时系统将有非常充足的时间将DPRAM1中的数据取出。
3.4 显示模块设计
为了能够直观地显示出采集的心电波形，需要显示设备的支持。本设计采用的LCD面板是TFT 320*240 LCD。该LCD模块没有显示控制器，因此需要设计显示控制器IP核来驱动LCD面板。本设计实现的显示控制器IP核采用Verilog HDL设计，支持多种颜色模式，包括18bpp，16bpp，8bpp和自定义模式。图像存储器lcd_fifo是采用片内FIFO，可以根据需要进行词整。256色的颜色查找表采用片内RAM来存储。图像信息能够通过AvaIon总线主端口写入的突发块传输方式进行传输，利用DMA从内存中自动读取，在SDRAM图像存储器image_ram与片上图像数据缓存器lcd_fifo之间建立了一条专用DMA通道，该控制器结构如图4所示。
该LCD控制器IP核主要由4个模块组成：接口模块、内存模块、颜色转换模块和时序模块。
接口模块主要是NiosⅡ处理器对LCD控制器进行控制及状态读取。接口模块主要是以寄存器方式存在的，其中寄存器有：控制寄存器、状态寄存器、DMA地址寄存器和中断寄存器。
内存模块是Avalon总线的主接口部分，在系统启动之后，利用DMA传输模式，通过Avalon总线主端口写入的突发块传输方式，完成图像数据存储器image_ram中的图像数据到片上图像数据缓存器lcd_fifo的独立读取。采用DAM传输方式是为了把NiosⅡ软核处理器从频繁地进行数据读取操作的工作中解脱出来，这样可以大大提高系统的工作效率。
颜色转换模块将读取后的数据根据4种颜色模式不同进行数据读取的转换，其中8bpp和自定义模式由于颜色不足，需要接入颜色查询表处理。自定义模式可以手动对调色板的地址进行预设来定义输出的颜色。
时序模块严格按照LCD的时序编写，其中LCD时钟为5 MHz。通过控制数据使能信号启动lcd_fifo数据输出，逐行扫描显示。同时，设计该模块时，在数据有效信号(DE)有效前，须检查lcd_fifo中是否存有数据，以确定是否进行数据读取和传输；须进行调色板模式设置，在帧传输过程中需要进行模式锁定，以免出现传输错误；须根据不同bpp模式，确定不同的读取时间段，18bpp每次都读取，16bpp间隔1次读取，8bpp间隔4次读取。
3.5数据存储模块设计
本设计选用SD卡作为外接存储硬盘。SD存储卡具有大容量、高性能、安全性好等特点的多功能存储卡，被广泛用于数码相机、掌上电脑和手机等便携式设备中。SD卡上所有单元由内部时钟发生器提供时钟，接口驱动单元同步外部时钟的DAT和CMD信号到内部所用时钟。SD卡有两种通信协议，即SD通信协议和SPI通信协议，与SPI通信协议相比，SD通信协议的最大优点是读写速度快，单根数据线理论上可以达到25 MB／s，四线传输可以达到100 MB／s，本设计采用的是四线SD通信协议。
本设计中对SD卡的协议采用软件编写：首先在SoPC Builder里定义了6个I／O口：SD_CMD，SD_DAT0-DAT3，SD_CLK，分别对应SD卡的命令、数据、时钟端口，然后在NiosⅡIDE上按照SD卡的传输协议编写C程序来对6个I／O口进行操作，以此来实现SD卡的传输协议。在完成SD卡数据块的读写基础上移植了文件系统。FAT16，这样在不影响读写速度的条件下节省FPGA的资源。
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