便携式远程心电监护仪的原理与设计实例

　　2.5 数据存储模块设计

　　本设计选用SD卡作为外接存储硬盘。SD存储卡具有大容量、高性能、安全性好等特点的多功能存储卡，被广泛用于数码相机、掌上电脑和手机等便携式设备中。SD卡上所有单元由内部时钟发生器提供时钟，接口驱动单元同步外部时钟的DAT和CMD信号到内部所用时钟。SD卡有两种通信协议，即SD通信协议和SPI通信协议，与SPI通信协议相比，SD通信协议的最大优点是读写速度快，单根数据线理论上可以达到25MB/秒，四线传输可以达到100M/s，本设计采用的是四线SD通信协议。

　　本设计中对SD卡的协议采用软件编写：首先在SOPC Builder里定义了六个I/O口：SD_CMD、SD_DAT0-DAT3、SD_CLK，分别对应SD卡的命令、数据、时钟端口，然后在NiosII IDE上按照SD卡的传输协议编写C程序来对六个I/O口进行操作，以此来实现SD卡的传输协议。 在完成SD卡数据块的读写基础上移植了文件系统FAT16，这样在不影响读写速度的条件下节省FPGA的资源。

　　2.6 数据传输模块设计

　　为了实现远程的数据交换，本系统采用以太网络进行数据传输。设计采用DM9000A作为以太网控制芯片。DM9000A是DAVICOM公司的一款高速网络控制器，具有通用处理器接口、一个10/100M PHY和4K字节的SRAM。为了实现数据的网络传输，设计需要完成的任务有：在NiosII上移植了uClinux操作系统、完成网络底层驱动程序的设计、基于网络协议的应用程序开发。其中在NiosII上移植了uClinux操作系统的工作已经完成[4]，因此本设计的关键任务是完成网络驱动程序设计与应用程序开发。

　　基于DM9000A的HAL设备驱动设计主要分为两步：首先是DM9000A的Avalon总线接口逻辑设计；其次DM9000A的读写驱动程序设计；最后按照HAL的驱动模式将DM9000A的驱动程序移植进HAL。DM9000A是作为Avalon总线的从外设与NiosII进行通信。DM9000A的Avalon总线接口逻辑主要完成芯片信号与Avalon总线接口信号的对接。

　　DM9000A不允许直接访问芯片内部的寄存器，需要通过数据端口和索引端口来读写。而这两个端口由CMD管脚控制：当CMD接高电平时为数据端口，CMD接低电平为控制端口。

　　创建HAL设备驱动包括：创建设备实例和登记设备[5]。设计中针对LWIP的结构，定义一个结构体作为DM9000A设备的alt_dev结构：

　　在NiosII启动时，将在alt_sys_init()中对设备初始化，初始化程序如下：

　　应用程序设计采用TCP/IP、HTTP协议，把监测器作为Web服务器端，远程PC端作为客户端通过网页显示采集到的心电波形。

　　3 实验结果

　　系统对人体心电信号进行了采集，通过LCD面板进行实时显示。通过SD卡存储数据，同时采用以太网网络将数据发送到远程的PC端上，以下是对系统功能的验证与测试结果。

　　3.1 信号采集调理模块

　　心电信号采集调理模块是自行设计的采集板，主要测量参数为前置放大器的通道带宽、放大能力和陷波特性。经测试，测试信号在1--1KHz的频带带宽内放大增益基本稳定在12.1dB，即其通道带宽能≥ 1kHz；在频率为20Hz和50Hz时，放大器对40--800mV信号的放大能力增益并无明显变化，基本稳定在11.7 dB--13.1 dB；同时，陷波器在对50Hz信号滤波时能将放大增益控制到0.5 dB以下。因此，基于心电信号的特点所设计的采集调理模块能稳定的获得人体的心电信号。

　　3.2 信号显示模块

　　图5是采集后的心电信号通过本地的LCD面板实时显示。从显示结果看，心电信号的PQRST五个特征点明显，波形平滑，并且在实际测量中稳定无干扰，能真实反映出采集后的心电信号。

图5 心电信号在本地LCD面板显示

　　3.3 网络传输模块

　　在设计中，网络接口功能的实现使采集到的心电信号通过以太网发送到远程PC端，实现数据的远程传输。根据TCP/IP协议与HTTP协议，信号经过打包处理后发送到网络上。在远程PC端，通过网页浏览器就可以观看到服务器端采集到的心电波形。图6是心电信号在远程PC端的网页浏览器上显示结果。该测试结果显示其与本地的LCD面板显示波形基本一致，实现了远程传输功能。

图6 远程PC端网页显示

　　实验表明，该心电监护系统能实时准确的实现数据的采集、显示、存储和传输功能。

　　4 结论

　　设计中采用了SOPC技术与IP核复用技术，缩短了系统开发周期，同时使系统具有便携式、灵活性、功能可扩展等功能。通过移植uClinux操作系统，使系统具有了强大的网络功能与更加强健的系统稳定性。但是设计只是通过了系统板级的功能验证，没有具体考虑现代便携式产品中的电源功耗等问题，离真正的产品还有一段距离。

　　参考文献：

　　[1] Glykas, Michael; Chytas, Panagiotis. Next generation of methods and tools for team work based care in speech and language therapy: Telematics and Informatics, v 22, n 3, August, 2005, p 135-160.

　　[2] 李兰英等.NiosII嵌入式软核SOPC设计原理及应用[M].北京航空航天大学出版社.2006.

　　[3] TI.TLC549 DATASHEET[J].http://www.TI.com.

　　[4] 蒋巍泉；王前；吴淑泉.基于NiosIl的uClinux研究与应用[J].科学技术与工程，2006.4(6) ：1069-1075

　　[5] ALTERA.NiosII Documentations[J]

　　[6] Glykas, Michael; Chytas, Panagiotis. Next generation of methods and tools for team work based care in speech and language therapy: Telematics and Informatics, v 22, n 3, August, 2005, p 135-160.

　　[7] Ogawa, Hidekuni; Yonezawa, Yoshiharu; Maki, Hiromichi; Sato, Haruhiko; Caldwell, W. Morton A web-based home welfare and care services support system: Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology - Proceedings, v 3, 2002, p 1893.

　　[8] Designing smart health care technology into the home of the future Warren, Steve (Sandia Natl Lab); Craft, Richard L. Source: Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology - Proceedings, v 2, 1999, p 677