基于Flash構架的模數混合的FPGA在心電監控儀上的應用設計

2.3 彩色顯示驅動模塊

比較成熟的TFT_LCD顯示驅動的開發大多數基于ARM[2-3]、DSP[4]的平臺。然而本系統使用的處理器是Coer8051，所以沒有辦法移植原有的驅動模塊。又因為圖像數據比較大，對處理器運算能力的要求比較高，所以結合Core8051和FPGA的特點重新設計了一種算法，降低需要處理的數據量，從而在Core8051的能力范圍內來完成心電圖像信息的顯示。

為了顯示一幅完整的圖像，按照液晶掃描的時鐘順序將事先準備好的一幀圖像數據逐次地輸入到數據端口，從而完成一幀圖像的顯示。由于要顯示的圖像只有心電信號是動態變化的，而其他的都是相對靜止不動的，也就是每一次掃描時數據信息是不變化的，整幅的圖像被分成動態的（心電圖像）和靜態的（背景、標度）兩部分。動態的由Core8051產生，并在特定時刻輸入到TFT_LCD；靜態的圖像信息事先存儲到FPGA中的存儲器中，每掃描一次都按照特定的順序輸入到LCD。通過這種方法，Core805就只需處理心電信號的信息，從而大大地減少了圖像數據的處理量，并完成圖像的顯示。該模塊的設計完成了低端處理器很難完成的實時彩色界面的驅動，即僅使用帶有256 B RAM的Core8051就可以顯示256色界面。

根據上述設想，可將液晶屏分成動態部分和靜態部分，如圖5所示。

圖5中除了“心電信號動態顯示區”中顯示出動態的心電圖像，其他部分包括“動態顯示區”中的背景圖像信息全部事先存儲在FPGA內部的Flash存儲器中。

動態顯示區可以用兩組數據來標注，設為：x0，y0，x1，y1，則這個動態顯示區每個定點的坐標就可以表示為（x0，y0）(x0，y1)(x1，y0)(x1，y1)。如圖5所示， 橫坐標表示時間t/s，縱坐標表示心電信號的幅值大小U/v，（x0，y0）處為（0，0）坐標點。在Core8051的基礎上設計編碼算法，對采集到的心電信號進行編碼，然后將心電信號轉換成顯示屏的坐標信號，然后根據坐標信號計算出心電圖像的數據，并在掃描時鐘的控制下逐次將數據按照順序輸入到LCD中， 這樣即可實現動態的心電圖像的顯示。 function ImgZoom(Id)//重新設置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

心電信號動態顯示區的設計采用了3種方法，分別為：

(1)移位寄存器法。在FPGA內部構建一個240位移位寄存器作為心電圖像的緩存，Core8051實時地采集數據然后發送到移位寄存器內部，同時CRT驅動模塊按照自己的時序來不斷地掃描移位寄存器，從而顯示出心電圖像。這種方法的缺點是動態曲線顯示的連續性不好。

(2)雙RAM緩存法[5]。利用Core8051外部擴展的64 KB

RAM作為心電波形信號的緩存，同時在CRT驅動模塊中再設計一個心電波形顯示緩存，這樣Core8051就可以先采集心電信號存儲在外部擴展的64 KB RAM中，達到某一數量后，連續地發送給CRT驅動模塊中的緩存，從而顯示出動態的心電信號圖像。該設計的一個最大優點是圖像顯示連續（沒有拋棄任何時刻的心電數據），同時又可以根據需要選擇觀察采集到的任何時刻的心電波形。但由于要采集一定數量的心電波形數據，因此心電波形的顯示會有一定時間的延時。

(3)單RAM緩存法。在Core8051沒有擴展外部64 KB RAM的前提下設計的，利用一個雙端口的RAM作為動態顯示區的圖像緩存，Core8051通過其中的一個寫端口向圖像緩存中寫入數據，VGA控制器通過另外一個端口從圖像緩存中讀出數據，兩者互不影響。同時設計算法使雙端口RAM具有位讀寫能力，即利用Core8051來靈活地讀寫雙端口RAM中的任何一位,這樣對圖像數據的處理就非常靈活了。這種設計的最大優點是如方法(1)一樣可以實時地顯示。

本文結合(2)、(3)兩種方法進行系統的設計，彌補了各種方案的缺點，實現了動態、實時顯示的功能，使得片上系統的功能變得完善。這種設計結合了FPGA的可編程性成功解決了低端8位處理器無法驅動彩色TFT_LCD動態、實時顯示的問題。在此基礎上，還可以利用FPGA和Core8051的資源開發其他的功能模塊，例如與PC機的通信、SD卡大量心電數據存儲、心電分析與報警等。

3 系統測試及結果

心電信號能力集中在中低頻段，隨著頻率的升高，響應的能量也逐漸降低[6]。利用信號發生器產生不同頻率和幅值的正弦信號來模擬心電信號，并將其加到心電信號輸入端口，可以看到CRT顯示器上顯示出和輸入信號完全一致的正弦波形，沒有任何失真。

Fution模數混合信號芯片的誕生給小型化、便攜式片上系統的設計帶來了可能,本文通過對FPGA各種資源的綜合應用完成了一種心電監護儀的片上系統的設計，通過實際的測試驗證了它的準確性。系統的所有功能都是在FPGA上完成的，所以它的單芯片性和FPGA可編程性，給產品的升級帶來了極大的便利。