遠程心電醫療信號監測系統設計

3.4 顯示模塊設計

為了能夠直觀(guān)地顯示出采集的心電波形，需要顯示設備的支持。本設計采用的LCD面板是TFT 320*240 LCD。該LCD模塊沒(méi)有顯示控制器，因此需要設計顯示控制器IP核來(lái)驅動(dòng)LCD面板。本設計實(shí)現的顯示控制器IP核采用Verilog HDL設計，支持多種顏色模式，包括18bpp，16bpp，8bpp和自定義模式。圖像存儲器lcd_fifo是采用片內FIFO，可以根據需要進(jìn)行詞整。256色的顏色查找表采用片內RAM來(lái)存儲。圖像信息能夠通過(guò)AvaIon總線(xiàn)主端口寫(xiě)入的突發(fā)塊傳輸方式進(jìn)行傳輸，利用DMA從內存中自動(dòng)讀取，在SDRAM圖像存儲器image_ram與片上圖像數據緩存器lcd_fifo之間建立了一條專(zhuān)用DMA通道，該控制器結構如圖4所示。

該LCD控制器IP核主要由4個(gè)模塊組成：接口模塊、內存模塊、顏色轉換模塊和時(shí)序模塊。

接口模塊主要是NiosⅡ處理器對LCD控制器進(jìn)行控制及狀態(tài)讀取。接口模塊主要是以寄存器方式存在的，其中寄存器有：控制寄存器、狀態(tài)寄存器、DMA地址寄存器和中斷寄存器。
內存模塊是Avalon總線(xiàn)的主接口部分，在系統啟動(dòng)之后，利用DMA傳輸模式，通過(guò)Avalon總線(xiàn)主端口寫(xiě)入的突發(fā)塊傳輸方式，完成圖像數據存儲器image_ram中的圖像數據到片上圖像數據緩存器lcd_fifo的獨立讀取。采用DAM傳輸方式是為了把NiosⅡ軟核處理器從頻繁地進(jìn)行數據讀取操作的工作中解脫出來(lái)，這樣可以大大提高系統的工作效率。

顏色轉換模塊將讀取后的數據根據4種顏色模式不同進(jìn)行數據讀取的轉換，其中8bpp和自定義模式由于顏色不足，需要接入顏色查詢(xún)表處理。自定義模式可以手動(dòng)對調色板的地址進(jìn)行預設來(lái)定義輸出的顏色。

時(shí)序模塊嚴格按照LCD的時(shí)序編寫(xiě)，其中LCD時(shí)鐘為5 MHz。通過(guò)控制數據使能信號啟動(dòng)lcd_fifo數據輸出，逐行掃描顯示。同時(shí)，設計該模塊時(shí)，在數據有效信號(DE)有效前，須檢查lcd_fifo中是否存有數據，以確定是否進(jìn)行數據讀取和傳輸；須進(jìn)行調色板模式設置，在幀傳輸過(guò)程中需要進(jìn)行模式鎖定，以免出現傳輸錯誤；須根據不同bpp模式，確定不同的讀取時(shí)間段，18bpp每次都讀取，16bpp間隔1次讀取，8bpp間隔4次讀取。

3.5數據存儲模塊設計

本設計選用SD卡作為外接存儲硬盤(pán)。SD存儲卡具有大容量、高性能、安全性好等特點(diǎn)的多功能存儲卡，被廣泛用于數碼相機、掌上電腦和手機等便攜式設備中。SD卡上所有單元由內部時(shí)鐘發(fā)生器提供時(shí)鐘，接口驅動(dòng)單元同步外部時(shí)鐘的DAT和CMD信號到內部所用時(shí)鐘。SD卡有兩種通信協(xié)議，即SD通信協(xié)議和SPI通信協(xié)議，與SPI通信協(xié)議相比，SD通信協(xié)議的最大優(yōu)點(diǎn)是讀寫(xiě)速度快，單根數據線(xiàn)理論上可以達到25 MB／s，四線(xiàn)傳輸可以達到100 MB／s，本設計采用的是四線(xiàn)SD通信協(xié)議。

本設計中對SD卡的協(xié)議采用軟件編寫(xiě)：首先在SoPC Builder里定義了6個(gè)I／O口：SD_CMD，SD_DAT0-DAT3，SD_CLK，分別對應SD卡的命令、數據、時(shí)鐘端口，然后在NiosⅡIDE上按照SD卡的傳輸協(xié)議編寫(xiě)C程序來(lái)對6個(gè)I／O口進(jìn)行操作，以此來(lái)實(shí)現SD卡的傳輸協(xié)議。在完成SD卡數據塊的讀寫(xiě)基礎上移植了文件系統。FAT16，這樣在不影響讀寫(xiě)速度的條件下節省FPGA的資源。

3.6 數據傳輸模塊設計

為了實(shí)現遠程的數據交換，本系統采用以太網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸。設計采用DM9000A作為以太網(wǎng)控制芯片。DM9000A是DAVICOM公司的一款高速網(wǎng)絡(luò )控制器，具有通用處理器接口、一個(gè)10／100M PHY和4kB的SRAM。為了實(shí)現數據的網(wǎng)絡(luò )傳輸，設計需要完成的任務(wù)有：在NiosⅡ上移植了μClinux操作系統、完成網(wǎng)絡(luò )底層驅動(dòng)程序的設計、基于網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的應用程序開(kāi)發(fā)。其中在NiosⅡ上移植了μClinux操作系統的工作已經(jīng)完成，因此本設計的關(guān)鍵任務(wù)是完成網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序設計與應用程序開(kāi)發(fā)。

基于DM9000A的HAL設備驅動(dòng)設計主要分為兩步：首先是DM9000A的Avalon總線(xiàn)接口邏輯設計；其次DM9000A的讀寫(xiě)驅動(dòng)程序設計；最后按照HAL的驅動(dòng)模式將DM9000A的驅動(dòng)程序移植進(jìn)HAL。DM9000A是作為Avalon總線(xiàn)的從外設與NiosⅡ進(jìn)行通信。DM9000A的Avalon總線(xiàn)接口邏輯主要完成芯片信號與Avalon總線(xiàn)接口信號的對接。

DM9000A不允許直接訪(fǎng)問(wèn)芯片內部的寄存器，需要通過(guò)數據端口和索引端口來(lái)讀寫(xiě)。而這兩個(gè)端口由CMD管腳控制：當CMD接高電平時(shí)為數據端口，CMD接低電平為控制端口。