嵌入式脈象采集儀電路設(shè)計(jì)

摘要：該脈象采集儀采用IP核技術(shù)、SoPC技術(shù)，將脈象采集的大部分功能都集成在一片F(xiàn)PGA內(nèi)部，并自主進(jìn)行了脈象采集控制的FPGA 設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用在SoPC系統(tǒng)外做控制電路部分，三路脈搏信號(hào)共用一個(gè)ADC，只需要很少的外部器件就能實(shí)現(xiàn)。與早期采用工控機(jī)、PC機(jī)，或者現(xiàn)在多采用的ARM設(shè)計(jì)方法相比，該脈象采集儀具有成本低，功耗低，體積小，便于擴(kuò)展，穩(wěn)定性高和系統(tǒng)維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：脈象采集；FPGA；IP核；嵌入式系統(tǒng)

脈診作為中醫(yī)最重要的一種診斷方式，具有模糊性、不確定性的特點(diǎn)，是近年來(lái)中醫(yī)現(xiàn)代化研究中的熱點(diǎn)。隨著電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步，將嵌入式技術(shù)、 FPGA技術(shù)、IP核技術(shù)結(jié)合在一起，融合電子技術(shù)、信號(hào)處理方法等學(xué)科知識(shí)，在中醫(yī)基本理論的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)脈象診斷設(shè)備，構(gòu)建一個(gè)靈活高效，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可靠性高，功耗低，可便攜的脈象采集儀具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和良好的市場(chǎng)前景。

1 儀器總體設(shè)計(jì)
嵌入式脈象采集儀的前期設(shè)計(jì)目標(biāo)是脈搏信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、顯示、簡(jiǎn)單處理、通信等，后期要對(duì)所采集到的信號(hào)處理，得到脈象特征，對(duì)病人做出診斷。在 FPGA的選型時(shí)，不但要考慮當(dāng)前功能是否夠用，價(jià)格適中，而且要考慮產(chǎn)品的升級(jí)換代，所以設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇Alt-era公司Cyclone II系列EP2C35F484C8作為核心芯片。以FPGA芯片為核心的嵌入式脈象采集儀的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。從圖1中可以看出，硬件主要由電源、顯示、存儲(chǔ)器、脈象采集、FPGA、通信等6個(gè)模塊組成。



2 主要外圍電路設(shè)計(jì)
由于在FPGA內(nèi)部采用VGA控制器IP核，選擇模擬儀器公司的10位高速視頻DAC芯片。
SRAM采用IDT公司的IDT71V416器件，利用2片IDT71V416器件構(gòu)成32位存儲(chǔ)器，以與NiosⅡ的32位CPU的總線匹配。對(duì) SRAM的控制，選用Altera公司提供SRAM控制器核，其控制信號(hào)由SoPC自動(dòng)生成。SDRAM為系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)及堆棧提供暫存空間。系統(tǒng)啟動(dòng)后，程序代碼調(diào)入SDRAM中運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。系統(tǒng)中采用HYNIX公司的64 MB SDRAM，型號(hào)為HY57V561620HT。它提供LVTTL接口，分為4個(gè)BANK，每個(gè)BANK容量為4 M×16 b。由BA0，BA1的狀態(tài)決定選定那個(gè)BANK。FLASH存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)采用AMD公司的AM29LV128M器件。可以自由選擇數(shù)據(jù)的位數(shù)為16 b或者8 b，但是最高位是模式位，采用IP核完成設(shè)計(jì)，具有比較優(yōu)越的性能。
2．1 通信模塊的設(shè)計(jì)
采用非常普遍的串行口通信。RS 232串行總線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易，成本低廉，硬軟件支持豐富，安裝方便等特點(diǎn)。雖然RS 232的速度稍微慢了點(diǎn)，但是對(duì)于頻率小于100 Hz信號(hào)的采集還是足能滿足的。采用MAXIM公司的max3232作為串口轉(zhuǎn)換芯片，其供電電壓為3～5V，速度可以達(dá)到1 Mb／s，具有良好的性能。
2．2 脈象采集模塊的設(shè)計(jì)
脈象采集模塊包括傳感器、儀器放大器、采樣保持器、A／D轉(zhuǎn)換器等，是脈象采集儀的關(guān)鍵部分。
脈象采集儀的傳感器決定著采集的質(zhì)量，設(shè)計(jì)采用硬面壓力傳感器，型號(hào)為華科公司的HK2000G脈搏傳感器。利用這種傳感器合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采集到的脈搏信號(hào)能較好地達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)。
選用ADI公司的儀器放大器AD620來(lái)放大采集到的脈搏信號(hào)。AD620非常適合于壓力感測(cè)方面的應(yīng)用。設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要采集三路脈象信號(hào)，為了節(jié)省脈象信號(hào)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換和濾波的成本，在信號(hào)的前端，設(shè)計(jì)模擬多路開關(guān)，進(jìn)行多路復(fù)用功能。脈象信號(hào)較微弱時(shí)，為了較少地引入噪聲，采用AD7501模擬開關(guān)。
A／D轉(zhuǎn)換器選用內(nèi)帶采樣保持器、高精度基準(zhǔn)電源、內(nèi)部時(shí)鐘和三態(tài)緩沖的數(shù)據(jù)輸出AD678。它是12位分別率，5μs轉(zhuǎn)換時(shí)間的ADC。具有外部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，精度高的特點(diǎn)。