VHDL語言為核心的EDA技術在醫(yī)學中的應用方案

引言

　　VHDL超高速集成電路硬件描述語言是隨著集成電路系統(tǒng)化和高度集成化逐步發(fā)展起來的，是一種用于數(shù)字系統(tǒng)設計、測試，面向多領域、多層次的IEEE標準硬件描述語言。它從20世紀70年代作為電路設計工具誕生于美國國防部至今，已經(jīng)成為十分流行的硬件描述工具，并且為大多數(shù)EDA工具所支持。隨著電子技術的不斷進步，數(shù)字系統(tǒng)的設計正朝著高速度、大容量、小體積的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的自底而上的模式已不能滿足芯片和系統(tǒng)的設計要求。為了提高設計效率，能夠簡化設計流程，大幅降低設計難度的VHDL設計方法受到廣泛關注。VHDL與其他傳統(tǒng)集成電路描述語言相比，具有明顯優(yōu)勢：

　　（1）功能強大，描述力強?？捎糜陂T級、電路級甚至系統(tǒng)級的描述、仿真和設計。

　?。?）可移植性好。對于設計和仿真工具及不同的平臺均可采用相同的描述。

　?。?）研制周期短，成本低。

　　（4）可以延長設計的生命周期。

　　（5）具有電路仿真與驗證功能，用戶甚至不必編寫相量測試即可進行源代碼級調(diào)試。設計者能夠跳過電路實驗，直接對各種方案進行比較和選擇，使設計效率得以提高。

　　（6）對設計的描述具有相對獨立性。

　?。?）語言標準、規(guī)范，易于共享和復用。

　　目前，VHDL滲透了電子技術及其相關的各個工業(yè)領域，在工業(yè)設計中發(fā)揮著日益重要的作用。在世界范圍內(nèi)，關于VHDL在多個領域尤其在芯片，系統(tǒng)設計方面的應用研究已經(jīng)取得眾多矚目成果。

　　而將VHDL與醫(yī)學相結合，勢必成為電子自動化設計（EDA）一個全新的研究方向，本文主要研究將EDA通過VHDL應用于醫(yī)學，以對脈搏的測量為例，以實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)對人體多種生理活動及生理反應的直觀精確測量。

　　1 實驗設計

　　1．1 EDA技術在醫(yī)學教學中脈搏測量中的應用探討

　　在臨床診斷，護理學等中介紹脈搏的測量時認為脈搏很容易在手腕掌面外側(cè)跳動的橈動脈上摸到，也可測量頸部的頸動脈或腹股溝的股動脈。其測量方法是病員手臂放于舒適位置，用食指，中指，無名指的指腹端按壓在橈動脈表面，一般病員默數(shù)半分鐘。將所測的脈率乘以2便是一分鐘的脈數(shù)，異常病人測一分鐘。成年人的脈搏在安靜狀態(tài)下每分鐘是60～80次。如少于60次是心動過緩。但訓練有素的運動員，脈搏有時也在60次以下，這正是心臟健康有力的表現(xiàn)。如超過100次是心動過速。體力活動或情緒激動時，脈搏可暫時增快，發(fā)燒時脈搏也增快。一般是體溫每升高1℃，脈搏就增加10～20次。此法只能粗略計算脈搏跳動。如將VHDL語言應用其中，便可以通過EDA實驗箱中的七段數(shù)碼管直觀準確地看到一分鐘的計數(shù)結果，并與之前通過醫(yī)學教材講授方法測出結果相比對，從而判定測量的正確與否。

　　1．2 設計思路

　　將脈搏信號通過脈搏傳感器采集進入計算機，而后作為輸入信號，而此信號作為脈沖信號，即如時鐘信號一般，當輸入時計數(shù)器開始計數(shù)，如下面設計一個十進制計數(shù)器的VHDL描述便可用來對所采集的脈搏信號計數(shù)。

　　1．3 VHDL設計流程

　　VHDL流程設計如圖1所示。

　現(xiàn)在，計算機輔助工程軟件的供應商已把日益通用的硬件描述語言VHDL作為其CAD或EDA軟件輸入與輸出的標準，其中ALTEKA公司提供的綜合工具Max+PlusⅡ，具有全面的邏輯設計能力，從編輯、綜合、布線到仿真、下載都十分方便。

　　2 設計方案與結果分析

　　VHDL語言設計十進制計數(shù)器的源程序：



在程序輸入完成后，經(jīng)Max+PlusⅡ中的Compiler編譯通過后，可用Stimulator進行仿真，查看仿真結果，如圖2所示。

也可以加入七段顯示譯碼器的VHDL設計來通過實驗箱的七段數(shù)碼管掃描顯示計數(shù)結果仿真結果如圖3所示。

代碼如下：



最終實現(xiàn)的頂層文件原理圖如圖4所示。

頂層文件設計如圖4所示，通過該文件可以實現(xiàn)譯碼，下載到EDA實驗箱時，便可于實驗箱的數(shù)碼管上讀出相應的脈搏數(shù)，如圖5所示。

VHDL語言與醫(yī)學內(nèi)容的結合，除了應用于脈搏的測量，還可應用于心跳及呼吸等的測量，以及受人體對聲、光刺激后的生理反應時間的測定等。電子自動化設計（EDA）及其相關技術，在醫(yī)學領域具有巨大的應用前景，有待進一步的研究和發(fā)掘。

　　3 結語

　　VHDL是一種隨著電子技術的不斷發(fā)展，為滿足電路系統(tǒng)化和高度集成化要求而發(fā)展起來的一種新型硬件描述語言。VHDL具有廣泛的應用范圍，在芯片及電路系統(tǒng)設計等方面發(fā)揮著日益重要的作用。以VHDL為核心的EDA技術應用于醫(yī)學，能直觀準確的測量人體的脈搏心跳，呼吸等生理活動，以及受到外界刺激的生理反應等，在醫(yī)學領域存在廣闊的發(fā)展空間，隨著進一步的探索和實踐，必將對醫(yī)學的發(fā)展起到極大的推動作用?！?/p>