STM32+A3P125 圖形控制器方案，多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀數(shù)據(jù)采集模塊深度解析

一、生理信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換架構(gòu)

多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀數(shù)據(jù)采集模塊是將人體生理信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的核心單元，其架構(gòu)遵循 “傳感器感知→信號(hào)調(diào)理→模數(shù)轉(zhuǎn)換→數(shù)字處理” 的標(biāo)準(zhǔn)化流程：

1. 傳感器類型與生理信號(hào)轉(zhuǎn)換

二、硬件架構(gòu)與系統(tǒng)定位

該方案通過(guò) STM32 與 A3P125 FPGA 協(xié)同工作，構(gòu)建適用于醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀的 LCD/VGA 顯示系統(tǒng)，核心優(yōu)勢(shì)在于：

• STM32 主控：負(fù)責(zé)參數(shù)配置、圖形數(shù)據(jù)傳輸，采用并行總線與 FPGA 高速通信；

• A3P125 FPGA：生成顯示時(shí)序（像素時(shí)鐘、行同步、場(chǎng)同步），驅(qū)動(dòng) LCD/VGA 屏幕實(shí)時(shí)渲染波形與數(shù)據(jù)；

• 應(yīng)用場(chǎng)景：多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的波形顯示、菜單界面、趨勢(shì)圖繪制，當(dāng)前支持 640×480@60Hz VGA 分辨率。

監(jiān)護(hù)儀數(shù)據(jù)采集模塊框圖 監(jiān)護(hù)儀數(shù)據(jù)采集模塊框圖

屏顯模式（Display Mode）

• 通信接口：STM32 通過(guò) FSMC 并行總線（8/16 位）與 FPGA 連接，寄存器地址映射如下：

• 寄存器地址功能描述示例值（640×480）0x00分辨率配置0x02（640×480）0x04刷新率配置0x3C（60Hz）0x08圖像緩沖區(qū)起始地址0x0000（SDRAM 偏移量）

• BMP 數(shù)據(jù)寫入：STM32 將預(yù)處理的 BMP 圖像數(shù)據(jù)（如心電波形）按行寫入 SDRAM，每像素占用 2 字節(jié)（RGB565 格式）。

邏輯框圖

• 時(shí)序參數(shù)（640×480@60Hz）：像素時(shí)鐘：25.175MHz行時(shí)序：總周期 800 像素（640 有效 + 160 消隱）場(chǎng)時(shí)序：總周期 525 行（480 有效 + 45 消隱）

• SDRAM 控制：FPGA 通過(guò)地址計(jì)數(shù)器按行讀取數(shù)據(jù)，支持突發(fā)長(zhǎng)度（Burst Length）為 4 的猝發(fā)傳輸，提升數(shù)據(jù)吞吐量。

三、程序示例與代碼框架1. STM32 并行總線配置（FSMC 接口）

/* STM32 FSMC配置 - 16位并行總線 */void FSMC_LCD_Init(void) {
  FSMC_NORSRAM_TimingTypeDef Timing = {0};  
  /* 配置FSMC地址/數(shù)據(jù)復(fù)用模式 */
  Timing.AddressSetupTime = 0x0F;       // 地址建立時(shí)間(15個(gè)HCLK周期)
  Timing.AddressHoldTime = 0x0F;         // 地址保持時(shí)間(15個(gè)HCLK周期)
  Timing.DataSetupTime = 0x3F;           // 數(shù)據(jù)建立時(shí)間(63個(gè)HCLK周期)
  Timing.BusTurnAroundDuration = 0x00;   // 總線切換周期(0)
  Timing.CLKDivision = 0x00;             // 時(shí)鐘分頻(0)
  Timing.DataLatency = 0x00;             // 數(shù)據(jù)延遲(0)
  Timing.AccessMode = FSMC_ACCESS_MODE_A; // 訪問(wèn)模式A
  
  /* 使能FSMC時(shí)鐘與GPIO */
  __HAL_RCC_FSMC_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();  
  /* 配置FPGA寄存器寫函數(shù) */
  #define FPGA_REG_ADDR  ((uint32_t)0x60000000)  // FPGA寄存器基地址
  #define FPGA_SDRAM_ADDR ((uint32_t)0x64000000)  // SDRAM基地址
  
  /* 示例：寫入分辨率寄存器 */
  void FPGA_WriteReg(uint8_t reg, uint32_t value) {
    *(uint32_t*)(FPGA_REG_ADDR + reg) = value;
  }  
  /* 示例：寫入BMP數(shù)據(jù)到SDRAM */
  void FPGA_WriteSDRAM(uint32_t addr, uint16_t* data, uint32_t len) {    uint32_t* sdram_ptr = (uint32_t*)(FPGA_SDRAM_ADDR + addr);    for (uint32_t i = 0; i < len; i++) {
      *sdram_ptr++ = (uint32_t)data[i];
    }
  }
}

2. A3P125 FPGA 核心代碼框架（Verilog）

module vga_controller (
    input wire clk_25m,       // 25MHz像素時(shí)鐘
    input wire rst_n,        // 復(fù)位信號(hào)
    input wire display_en,   // 顯示使能
    input wire [31:0] reg_addr, // 寄存器地址
    input wire [31:0] reg_data, // 寄存器數(shù)據(jù)
    input wire reg_we,       // 寄存器寫使能
    
    // SDRAM接口
    output wire [12:0] sdram_addr,
    output wire [15:0] sdram_dq,
    output wire sdram_cke,
    output wire sdram_cs_n,
    output wire sdram_ras_n,
    output wire sdram_cas_n,
    output wire sdram_we_n,
    output wire sdram_ldqm,
    output wire sdram_udqm,
    
    // VGA接口
    output wire vga_hsync,   // 行同步
    output wire vga_vsync,   // 場(chǎng)同步
    output wire [15:0] vga_rgb // RGB565色彩);

    // 寄存器配置模塊
    reg [31:0] config_reg[0:15]; // 16個(gè)配置寄存器
    always @(posedge clk_25m or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            // 初始化寄存器
            config_reg[0] <= 32'h00000200; // 分辨率640×480
            config_reg[1] <= 32'h0000003C; // 刷新率60Hz
        end else if (reg_we) begin
            config_reg[reg_addr[4:0]] <= reg_data;
        end
    end
    
    // 顯示時(shí)序生成模塊
    reg [11:0] h_counter = 0; // 行計(jì)數(shù)器(0~799)
    reg [11:0] v_counter = 0; // 場(chǎng)計(jì)數(shù)器(0~524)
    wire h_valid = (h_counter >= 0 && h_counter < 640);
    wire v_valid = (v_counter >= 0 && v_counter < 480);
    wire pixel_valid = h_valid && v_valid;
    
    // 行同步生成
    assign vga_hsync = (h_counter >= 656 && h_counter < 752) ? 1'b0 : 1'b1;
    // 場(chǎng)同步生成
    assign vga_vsync = (v_counter >= 490 && v_counter < 492) ? 1'b0 : 1'b1;
    
    // SDRAM地址計(jì)數(shù)器
    reg [19:0] sdram_addr_counter = 0;
    always @(posedge clk_25m or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            sdram_addr_counter <= 0;
        end else if (display_en && pixel_valid) begin
            sdram_addr_counter <= sdram_addr_counter + 1;
        end
    end
    
    // SDRAM數(shù)據(jù)讀取（簡(jiǎn)化模型）
    assign sdram_addr = sdram_addr_counter[15:3]; // 地址映射
    assign sdram_dq = 16'hZZZZ; // 讀操作時(shí)浮空，實(shí)際需控制SDRAM時(shí)序
    // SDRAM控制信號(hào)（簡(jiǎn)化，實(shí)際需完整時(shí)序）
    assign sdram_cke = 1'b1;
    assign sdram_cs_n = ~display_en;
    assign sdram_ras_n = 1'b1;
    assign sdram_cas_n = display_en && pixel_valid ? 1'b0 : 1'b1;
    assign sdram_we_n = 1'b1;
    assign sdram_ldqm = 1'b0;
    assign sdram_udqm = 1'b0;
    
    // VGA色彩輸出（從SDRAM讀取數(shù)據(jù)）
    reg [15:0] current_pixel;
    always @(posedge clk_25m or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            current_pixel <= 16'h0000;
        end else if (display_en && pixel_valid) begin
            // 實(shí)際項(xiàng)目中需通過(guò)SDRAM控制器讀取數(shù)據(jù)
            current_pixel <= 16'h0000; // 示例值，實(shí)際為SDRAM數(shù)據(jù)
        end
    end
    
    assign vga_rgb = current_pixel;endmodule

四、開(kāi)發(fā)進(jìn)展與優(yōu)化方向

1. 當(dāng)前成果：完成 640×480 分辨率的 VGA 時(shí)序生成；實(shí)現(xiàn) STM32 與 FPGA 的并行總線通信（數(shù)據(jù)傳輸速率≥10MB/s）；

2. 待改進(jìn)點(diǎn)：分辨率擴(kuò)展：支持 1024×768 等更高分辨率，需升級(jí) FPGA 至更大容量型號(hào)；顯示流暢性：優(yōu)化 SDRAM 突發(fā)傳輸效率，降低畫面撕裂；抗干擾設(shè)計(jì)：增加 EMI 濾波電路，滿足醫(yī)療設(shè)備電磁兼容性（EMC）要求。

該方案通過(guò) STM32 與 FPGA 的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀顯示領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了高性能與低成本的平衡，尤其適合對(duì)實(shí)時(shí)波形顯示有較高要求的場(chǎng)景，如心電圖、血氧波形的動(dòng)態(tài)渲染。