基于Flash构架的模数混合的FPGA在心电监控仪上的应用设计

2.3 彩色显示驱动模块

比较成熟的TFT_LCD显示驱动的开发大多数基于ARM[2-3]、DSP[4]的平台。然而本系统使用的处理器是Coer8051，所以没有办法移植原有的驱动模块。又因为图像数据比较大，对处理器运算能力的要求比较高，所以结合Core8051和FPGA的特点重新设计了一种算法，降低需要处理的数据量，从而在Core8051的能力范围内来完成心电图像信息的显示。

为了显示一幅完整的图像，按照液晶扫描的时钟顺序将事先准备好的一帧图像数据逐次地输入到数据端口，从而完成一帧图像的显示。由于要显示的图像只有心电信号是动态变化的，而其他的都是相对静止不动的，也就是每一次扫描时数据信息是不变化的，整幅的图像被分成动态的（心电图像）和静态的（背景、标度）两部分。动态的由Core8051产生，并在特定时刻输入到TFT_LCD；静态的图像信息事先存储到FPGA中的存储器中，每扫描一次都按照特定的顺序输入到LCD。通过这种方法，Core805就只需处理心电信号的信息，从而大大地减少了图像数据的处理量，并完成图像的显示。该模块的设计完成了低端处理器很难完成的实时彩色界面的驱动，即仅使用带有256 B RAM的Core8051就可以显示256色界面。

根据上述设想，可将液晶屏分成动态部分和静态部分，如图5所示。

图5中除了“心电信号动态显示区”中显示出动态的心电图像，其他部分包括“动态显示区”中的背景图像信息全部事先存储在FPGA内部的Flash存储器中。

动态显示区可以用两组数据来标注，设为：x0，y0，x1，y1，则这个动态显示区每个定点的坐标就可以表示为（x0，y0）(x0，y1)(x1，y0)(x1，y1)。如图5所示， 横坐标表示时间t/s，纵坐标表示心电信号的幅值大小U/v，（x0，y0）处为（0，0）坐标点。在Core8051的基础上设计编码算法，对采集到的心电信号进行编码，然后将心电信号转换成显示屏的坐标信号，然后根据坐标信号计算出心电图像的数据，并在扫描时钟的控制下逐次将数据按照顺序输入到LCD中， 这样即可实现动态的心电图像的显示。 function ImgZoom(Id)//重新设置图片大小 防止撑破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

心电信号动态显示区的设计采用了3种方法，分别为：

(1)移位寄存器法。在FPGA内部构建一个240位移位寄存器作为心电图像的缓存，Core8051实时地采集数据然后发送到移位寄存器内部，同时CRT驱动模块按照自己的时序来不断地扫描移位寄存器，从而显示出心电图像。这种方法的缺点是动态曲线显示的连续性不好。

(2)双RAM缓存法[5]。利用Core8051外部扩展的64 KB

RAM作为心电波形信号的缓存，同时在CRT驱动模块中再设计一个心电波形显示缓存，这样Core8051就可以先采集心电信号存储在外部扩展的64 KB RAM中，达到某一数量后，连续地发送给CRT驱动模块中的缓存，从而显示出动态的心电信号图像。该设计的一个最大优点是图像显示连续（没有抛弃任何时刻的心电数据），同时又可以根据需要选择观察采集到的任何时刻的心电波形。但由于要采集一定数量的心电波形数据，因此心电波形的显示会有一定时间的延时。

(3)单RAM缓存法。在Core8051没有扩展外部64 KB RAM的前提下设计的，利用一个双端口的RAM作为动态显示区的图像缓存，Core8051通过其中的一个写端口向图像缓存中写入数据，VGA控制器通过另外一个端口从图像缓存中读出数据，两者互不影响。同时设计算法使双端口RAM具有位读写能力，即利用Core8051来灵活地读写双端口RAM中的任何一位,这样对图像数据的处理就非常灵活了。这种设计的最大优点是如方法(1)一样可以实时地显示。

本文结合(2)、(3)两种方法进行系统的设计，弥补了各种方案的缺点，实现了动态、实时显示的功能，使得片上系统的功能变得完善。这种设计结合了FPGA的可编程性成功解决了低端8位处理器无法驱动彩色TFT_LCD动态、实时显示的问题。在此基础上，还可以利用FPGA和Core8051的资源开发其他的功能模块，例如与PC机的通信、SD卡大量心电数据存储、心电分析与报警等。

3 系统测试及结果

心电信号能力集中在中低频段，随着频率的升高，响应的能量也逐渐降低[6]。利用信号发生器产生不同频率和幅值的正弦信号来模拟心电信号，并将其加到心电信号输入端口，可以看到CRT显示器上显示出和输入信号完全一致的正弦波形，没有任何失真。

Fution模数混合信号芯片的诞生给小型化、便携式片上系统的设计带来了可能,本文通过对FPGA各种资源的综合应用完成了一种心电监护仪的片上系统的设计，通过实际的测试验证了它的准确性。系统的所有功能都是在FPGA上完成的，所以它的单芯片性和FPGA可编程性，给产品的升级带来了极大的便利。