便攜式遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)儀的原理與設(shè)計(jì)實(shí)例

　　2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)選用SD卡作為外接存儲(chǔ)硬盤(pán)。SD存儲(chǔ)卡具有大容量、高性能、安全性好等特點(diǎn)的多功能存儲(chǔ)卡，被廣泛用于數(shù)碼相機(jī)、掌上電腦和手機(jī)等便攜式設(shè)備中。SD卡上所有單元由內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器提供時(shí)鐘，接口驅(qū)動(dòng)單元同步外部時(shí)鐘的DAT和CMD信號(hào)到內(nèi)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(shù)據(jù)線理論上可以達(dá)到25MB/秒，四線傳輸可以達(dá)到100M/s，本設(shè)計(jì)采用的是四線SD通信協(xié)議。

　　本設(shè)計(jì)中對(duì)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(duì)應(yīng)SD卡的命令、數(shù)據(jù)、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(duì)六個(gè)I/O口進(jìn)行操作，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)SD卡的傳輸協(xié)議。 在完成SD卡數(shù)據(jù)塊的讀寫(xiě)基礎(chǔ)上移植了文件系統(tǒng)FAT16，這樣在不影響讀寫(xiě)速度的條件下節(jié)省FPGA的資源。

　　2.6 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交換，本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)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(jié)的SRAM。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，設(shè)計(jì)需要完成的任務(wù)有：在NiosII上移植了uClinux操作系統(tǒng)、完成網(wǎng)絡(luò)底層驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)、基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。其中在NiosII上移植了uClinux操作系統(tǒng)的工作已經(jīng)完成[4]，因此本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵任務(wù)是完成網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。

　　基于DM9000A的HAL設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要分為兩步：首先是DM9000A的Avalon總線接口邏輯設(shè)計(jì)；其次DM9000A的讀寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)；最后按照HAL的驅(qū)動(dòng)模式將DM9000A的驅(qū)動(dòng)程序移植進(jìn)HAL。DM9000A是作為Avalon總線的從外設(shè)與NiosII進(jìn)行通信。DM9000A的Avalon總線接口邏輯主要完成芯片信號(hào)與Avalon總線接口信號(hào)的對(duì)接。

　　DM9000A不允許直接訪問(wèn)芯片內(nèi)部的寄存器，需要通過(guò)數(shù)據(jù)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(dāng)CMD接高電平時(shí)為數(shù)據(jù)端口，CMD接低電平為控制端口。

　　創(chuàng)建HAL設(shè)備驅(qū)動(dòng)包括：創(chuàng)建設(shè)備實(shí)例和登記設(shè)備[5]。設(shè)計(jì)中針對(duì)LWIP的結(jié)構(gòu)，定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體作為DM9000A設(shè)備的alt_dev結(jié)構(gòu)：

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

　　應(yīng)用程序設(shè)計(jì)采用TCP/IP、HTTP協(xié)議，把監(jiān)測(cè)器作為Web服務(wù)器端，遠(yuǎn)程PC端作為客戶端通過(guò)網(wǎng)頁(yè)顯示采集到的心電波形。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　系統(tǒng)對(duì)人體心電信號(hào)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(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程的PC端上，以下是對(duì)系統(tǒng)功能的驗(yàn)證與測(cè)試結(jié)果。

　　3.1 信號(hào)采集調(diào)理模塊

　　心電信號(hào)采集調(diào)理模塊是自行設(shè)計(jì)的采集板，主要測(cè)量參數(shù)為前置放大器的通道帶寬、放大能力和陷波特性。經(jīng)測(cè)試，測(cè)試信號(hào)在1--1KHz的頻帶帶寬內(nèi)放大增益基本穩(wěn)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(duì)40--800mV信號(hào)的放大能力增益并無(wú)明顯變化，基本穩(wěn)定在11.7 dB--13.1 dB；同時(shí)，陷波器在對(duì)50Hz信號(hào)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(hào)的特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的采集調(diào)理模塊能穩(wěn)定的獲得人體的心電信號(hào)。

　　3.2 信號(hào)顯示模塊

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

圖5 心電信號(hào)在本地LCD面板顯示

　　3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

　　在設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)接口功能的實(shí)現(xiàn)使采集到的心電信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程PC端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。根據(jù)TCP/IP協(xié)議與HTTP協(xié)議，信號(hào)經(jīng)過(guò)打包處理后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。在遠(yuǎn)程PC端，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器就可以觀看到服務(wù)器端采集到的心電波形。圖6是心電信號(hào)在遠(yuǎn)程PC端的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器上顯示結(jié)果。該測(cè)試結(jié)果顯示其與本地的LCD面板顯示波形基本一致，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程傳輸功能。

圖6 遠(yuǎn)程PC端網(wǎng)頁(yè)顯示

　　實(shí)驗(yàn)表明，該心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示、存儲(chǔ)和傳輸功能。

　　4 結(jié)論

　　設(shè)計(jì)中采用了SOPC技術(shù)與IP核復(fù)用技術(shù)，縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)使系統(tǒng)具有便攜式、靈活性、功能可擴(kuò)展等功能。通過(guò)移植uClinux操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能與更加強(qiáng)健的系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是設(shè)計(jì)只是通過(guò)了系統(tǒng)板級(jí)的功能驗(yàn)證，沒(méi)有具體考慮現(xiàn)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。

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