便攜式遠程心電監護儀的原理與設計實(shí)例

　　2.5 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25MB/秒，四線(xiàn)傳輸可以達到100M/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里定義了六個(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NiosII IDE上按照SD卡的傳輸協(xié)議編寫(xiě)C程序來(lái)對六個(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。

　　2.6 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4K字節的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uClinux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uClinux操作系統的工作已經(jīng)完成[4]，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。

　　創(chuàng )建HAL設備驅動(dòng)包括：創(chuàng )建設備實(shí)例和登記設備[5]。設計中針對LWIP的結構，定義一個(gè)結構體作為DM9000A設備的alt_dev結構：

　　在NiosII啟動(dòng)時(shí)，將在alt_sys_init()中對設備初始化，初始化程序如下：

　　應用程序設計采用TCP/IP、HTTP協(xié)議，把監測器作為Web服務(wù)器端，遠程PC端作為客戶(hù)端通過(guò)網(wǎng)頁(yè)顯示采集到的心電波形。

　　3 實(shí)驗結果

　　系統對人體心電信號進(jìn)行了采集，通過(guò)LCD面板進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。通過(guò)SD卡存儲數據，同時(shí)采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )將數據發(fā)送到遠程的PC端上，以下是對系統功能的驗證與測試結果。

　　3.1 信號采集調理模塊

　　心電信號采集調理模塊是自行設計的采集板，主要測量參數為前置放大器的通道帶寬、放大能力和陷波特性。經(jīng)測試，測試信號在1--1KHz的頻帶帶寬內放大增益基本穩定在12.1dB，即其通道帶寬能≥ 1kHz；在頻率為20Hz和50Hz時(shí)，放大器對40--800mV信號的放大能力增益并無(wú)明顯變化，基本穩定在11.7 dB--13.1 dB；同時(shí)，陷波器在對50Hz信號濾波時(shí)能將放大增益控制到0.5 dB以下。因此，基于心電信號的特點(diǎn)所設計的采集調理模塊能穩定的獲得人體的心電信號。

　　3.2 信號顯示模塊

　　圖5是采集后的心電信號通過(guò)本地的LCD面板實(shí)時(shí)顯示。從顯示結果看，心電信號的PQRST五個(gè)特征點(diǎn)明顯，波形平滑，并且在實(shí)際測量中穩定無(wú)干擾，能真實(shí)反映出采集后的心電信號。

圖5 心電信號在本地LCD面板顯示

　　3.3 網(wǎng)絡(luò )傳輸模塊

　　在設計中，網(wǎng)絡(luò )接口功能的實(shí)現使采集到的心電信號通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到遠程PC端，實(shí)現數據的遠程傳輸。根據TCP/IP協(xié)議與HTTP協(xié)議，信號經(jīng)過(guò)打包處理后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )上。在遠程PC端，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器就可以觀(guān)看到服務(wù)器端采集到的心電波形。圖6是心電信號在遠程PC端的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器上顯示結果。該測試結果顯示其與本地的LCD面板顯示波形基本一致，實(shí)現了遠程傳輸功能。

圖6 遠程PC端網(wǎng)頁(yè)顯示

　　實(shí)驗表明，該心電監護系統能實(shí)時(shí)準確的實(shí)現數據的采集、顯示、存儲和傳輸功能。

　　4 結論

　　設計中采用了SOPC技術(shù)與IP核復用技術(shù)，縮短了系統開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)使系統具有便攜式、靈活性、功能可擴展等功能。通過(guò)移植uClinux操作系統，使系統具有了強大的網(wǎng)絡(luò )功能與更加強健的系統穩定性。但是設計只是通過(guò)了系統板級的功能驗證，沒(méi)有具體考慮現代便攜式產(chǎn)品中的電源功耗等問(wèn)題，離真正的產(chǎn)品還有一段距離。

　　參考文獻：

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