便攜式遠程心電監護儀的原理與設計實例

　　2.5 數據存儲模塊設計

　　本設計選用SD卡作為外接存儲硬盤。SD存儲卡具有大容量、高性能、安全性好等特點的多功能存儲卡，被廣泛用于數碼相機、掌上電腦和手機等便攜式設備中。SD卡上所有單元由內部時鐘發生器提供時鐘，接口驅動單元同步外部時鐘的DAT和CMD信號到內部所用時鐘。SD卡有兩種通信協議，即SD通信協議和SPI通信協議，與SPI通信協議相比，SD通信協議的最大優點是讀寫速度快，單根數據線理論上可以達到25MB/秒，四線傳輸可以達到100M/s，本設計采用的是四線SD通信協議。

　　本設計中對SD卡的協議采用軟件編寫：首先在SOPC Builder里定義了六個I/O口：SD_CMD、SD_DAT0-DAT3、SD_CLK，分別對應SD卡的命令、數據、時鐘端口，然后在NiosII IDE上按照SD卡的傳輸協議編寫C程序來對六個I/O口進行操作，以此來實現SD卡的傳輸協議。 在完成SD卡數據塊的讀寫基礎上移植了文件系統FAT16，這樣在不影響讀寫速度的條件下節省FPGA的資源。

　　2.6 數據傳輸模塊設計

　　為了實現遠程的數據交換，本系統采用以太網絡進行數據傳輸。設計采用DM9000A作為以太網控制芯片。DM9000A是DAVICOM公司的一款高速網絡控制器，具有通用處理器接口、一個10/100M PHY和4K字節的SRAM。為了實現數據的網絡傳輸，設計需要完成的任務有：在NiosII上移植了uClinux操作系統、完成網絡底層驅動程序的設計、基于網絡協議的應用程序開發。其中在NiosII上移植了uClinux操作系統的工作已經完成[4]，因此本設計的關鍵任務是完成網絡驅動程序設計與應用程序開發。

　　基于DM9000A的HAL設備驅動設計主要分為兩步：首先是DM9000A的Avalon總線接口邏輯設計；其次DM9000A的讀寫驅動程序設計；最后按照HAL的驅動模式將DM9000A的驅動程序移植進HAL。DM9000A是作為Avalon總線的從外設與NiosII進行通信。DM9000A的Avalon總線接口邏輯主要完成芯片信號與Avalon總線接口信號的對接。

　　DM9000A不允許直接訪問芯片內部的寄存器，需要通過數據端口和索引端口來讀寫。而這兩個端口由CMD管腳控制：當CMD接高電平時為數據端口，CMD接低電平為控制端口。

　　創建HAL設備驅動包括：創建設備實例和登記設備[5]。設計中針對LWIP的結構，定義一個結構體作為DM9000A設備的alt_dev結構：

　　在NiosII啟動時，將在alt_sys_init()中對設備初始化，初始化程序如下：

　　應用程序設計采用TCP/IP、HTTP協議，把監測器作為Web服務器端，遠程PC端作為客戶端通過網頁顯示采集到的心電波形。

　　3 實驗結果

　　系統對人體心電信號進行了采集，通過LCD面板進行實時顯示。通過SD卡存儲數據，同時采用以太網網絡將數據發送到遠程的PC端上，以下是對系統功能的驗證與測試結果。

　　3.1 信號采集調理模塊

　　心電信號采集調理模塊是自行設計的采集板，主要測量參數為前置放大器的通道帶寬、放大能力和陷波特性。經測試，測試信號在1--1KHz的頻帶帶寬內放大增益基本穩定在12.1dB，即其通道帶寬能≥ 1kHz；在頻率為20Hz和50Hz時，放大器對40--800mV信號的放大能力增益并無明顯變化，基本穩定在11.7 dB--13.1 dB；同時，陷波器在對50Hz信號濾波時能將放大增益控制到0.5 dB以下。因此，基于心電信號的特點所設計的采集調理模塊能穩定的獲得人體的心電信號。

　　3.2 信號顯示模塊

　　圖5是采集后的心電信號通過本地的LCD面板實時顯示。從顯示結果看，心電信號的PQRST五個特征點明顯，波形平滑，并且在實際測量中穩定無干擾，能真實反映出采集后的心電信號。

圖5 心電信號在本地LCD面板顯示

　　3.3 網絡傳輸模塊

　　在設計中，網絡接口功能的實現使采集到的心電信號通過以太網發送到遠程PC端，實現數據的遠程傳輸。根據TCP/IP協議與HTTP協議，信號經過打包處理后發送到網絡上。在遠程PC端，通過網頁瀏覽器就可以觀看到服務器端采集到的心電波形。圖6是心電信號在遠程PC端的網頁瀏覽器上顯示結果。該測試結果顯示其與本地的LCD面板顯示波形基本一致，實現了遠程傳輸功能。

圖6 遠程PC端網頁顯示

　　實驗表明，該心電監護系統能實時準確的實現數據的采集、顯示、存儲和傳輸功能。

　　4 結論

　　設計中采用了SOPC技術與IP核復用技術，縮短了系統開發周期，同時使系統具有便攜式、靈活性、功能可擴展等功能。通過移植uClinux操作系統，使系統具有了強大的網絡功能與更加強健的系統穩定性。但是設計只是通過了系統板級的功能驗證，沒有具體考慮現代便攜式產品中的電源功耗等問題，離真正的產品還有一段距離。

　　參考文獻：

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