SOPC的心電圖機(jī)信息處理模塊分析

馬鞍山市衛(wèi)生健康信息中心 丁勝利

文章以醫(yī)療心電圖機(jī)信息的處理為切入點(diǎn)，首先簡(jiǎn)要介紹了SOPC技術(shù)，其次闡明了心電圖機(jī)信息處理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，最后分別從軟件和硬件的角度出發(fā)，就信息處理模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)展開(kāi)了深入探究，內(nèi)容涉及控制器、控制模塊、時(shí)鐘模塊和鍵盤(pán)控制器等方面，希望能使相關(guān)人員受到幫助或是啟發(fā)。

現(xiàn)階段，基于SOPC設(shè)計(jì)信息處理系統(tǒng)成為社會(huì)各界熱議話題，對(duì)醫(yī)療行業(yè)而言，開(kāi)展相關(guān)工作的側(cè)重點(diǎn)，主要是以SOPC可高效處理并實(shí)時(shí)顯示信息的功能為依托，在對(duì)其并發(fā)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行充分發(fā)揮的基礎(chǔ)上，得到可使心電信號(hào)實(shí)時(shí)顯示、遠(yuǎn)程傳輸與長(zhǎng)期存儲(chǔ)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確保人們所提出需求能夠獲得最大程度的滿足。由此可見(jiàn)，本文所研究課題有重要的社會(huì)價(jià)值。

1 SOPC技術(shù)介紹

SOPC是FPGA衍生出的SOC解決方案，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的初衷是確保大規(guī)模集成電路有符合自身需求的途徑對(duì)應(yīng)。由于SOPA對(duì)DSP/PLL/CPU/可編程邏輯進(jìn)行了集成，因此，現(xiàn)已成為對(duì)SOC方案加以解決的首選，另外，該系統(tǒng)還有成本低、設(shè)計(jì)周期短等優(yōu)勢(shì)，通常僅對(duì)開(kāi)發(fā)板、PC機(jī)加以應(yīng)用。未來(lái)SOPC將擁有更加廣闊的發(fā)展前景，應(yīng)當(dāng)引起重視。

2 心電圖機(jī)信息處理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文對(duì)采集、處理信號(hào)所使用軟硬件均進(jìn)行了模塊化處理，使檢測(cè)精度得到顯著提高。另外，還設(shè)計(jì)了相應(yīng)接口，保證能夠隨時(shí)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，這一設(shè)計(jì)使系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性得到了顯著提高。作為系統(tǒng)核心的FPGA系統(tǒng)，通常被用來(lái)輔助下列工作開(kāi)展：其一，對(duì)信號(hào)做二次除雜處理；其二，在分析和處理信號(hào)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)；其三，通過(guò)連接各接口的方式，做到實(shí)時(shí)通信。

心電信號(hào)向調(diào)理電路進(jìn)行傳輸?shù)妮d體為導(dǎo)聯(lián)，調(diào)理電路的作用是對(duì)信號(hào)做濾波處理，通過(guò)持續(xù)放大的方式，獲得有極高信噪比的信號(hào)，隨后，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行輸出，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)心電信號(hào)進(jìn)行濾波，這樣做可再次提高心電信號(hào)信噪比，待后續(xù)的分析與處理流程告一段落，便可達(dá)到遠(yuǎn)程傳輸、高效存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)顯示的目的。

此外，基于該系統(tǒng)所展開(kāi)設(shè)計(jì)工作，還應(yīng)對(duì)電源模塊引起重視。本項(xiàng)目計(jì)劃使用電源為+9V自帶電源模塊與±5V電壓模塊，DE2自帶電源可被用來(lái)向FPGA芯片、開(kāi)發(fā)板外設(shè)提供運(yùn)行所需電力能源，電壓模塊的供壓對(duì)象，則是調(diào)理電路、轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)采集電路。由于采集電路需要模擬放大心電信號(hào)，因此，需要前置可對(duì)有用心電信號(hào)進(jìn)行提取的前置放大器。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

3.1 初始設(shè)計(jì)

技術(shù)人員對(duì)系統(tǒng)初始化進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到顯示端口所顯示單元模塊及功能，遂決定對(duì)模塊做初始化處理。VGA顯示窗體組成部分有信息窗口/字符控制窗口/波形顯示窗口。信息窗口又分為發(fā)送窗口/接收窗口，二者均借助互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，在初始化階段，信息窗口狀態(tài)顯示為空。字符控制窗口的作用，主要是調(diào)整波形顯示窗口，例如，窗口采樣率。而波形顯示窗口所顯示內(nèi)容，通常以處理后ECG信號(hào)為主。

3.2 控制模塊

本項(xiàng)目計(jì)劃使用LWIP協(xié)議棧，該協(xié)議棧既能夠向操作系統(tǒng)進(jìn)行移植，又滿足獨(dú)立運(yùn)行的條件。另外，LWIP可減小代碼尺寸并減少內(nèi)存占用，嵌入式系統(tǒng)等小型處理器系統(tǒng)可優(yōu)先對(duì)其加以使用。雖然對(duì)TCP/IP結(jié)構(gòu)做分層設(shè)計(jì)，可使一部分通信問(wèn)題得到解決，且底層協(xié)議滿足交叉存取條件，底層協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議被嚴(yán)格區(qū)分的情況仍較為常見(jiàn)，LWIP也采取了分層設(shè)計(jì)方案，但并非做到各層完全獨(dú)立，這樣設(shè)計(jì)的目的主要是對(duì)內(nèi)存利用率還有處理速度進(jìn)行提高。

基于DE2對(duì)SOPC應(yīng)用軟件進(jìn)行編寫(xiě)與開(kāi)發(fā)的步驟如下：①打開(kāi)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境與新工程導(dǎo)向；②點(diǎn)擊Brows，確定軟件對(duì)應(yīng)文件；③依次選擇Simple Socket Server模板和Web Server模板，前者強(qiáng)調(diào)利用接收控制信號(hào)對(duì)LED等進(jìn)行控制，確保其能夠及時(shí)做出反應(yīng)，后者的功能為網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器；④點(diǎn)擊Next，在新建系統(tǒng)庫(kù)的同時(shí)對(duì)操作系統(tǒng)加以確定，建立軟件工程；⑤結(jié)合設(shè)計(jì)要求調(diào)整模板程序。

3.3 波形存儲(chǔ)程序

作為心電圖儀基礎(chǔ)功能的存儲(chǔ)和回放，其作用主要是重復(fù)觀測(cè)心電信號(hào)，本項(xiàng)目所設(shè)置256KB波形存儲(chǔ)分區(qū)的數(shù)量為16個(gè)，可被用來(lái)對(duì)10min的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。若用戶觀測(cè)發(fā)現(xiàn)波形有較大信息量，便可利用存儲(chǔ)和回訪功能，重復(fù)觀測(cè)Flash所存儲(chǔ)波形，而選擇該存儲(chǔ)載體的原因，主要是避免掉電丟失的情況出現(xiàn)。

Flash存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的格式為{"U",length,hour,minute,second,data...}，其中，“U”代表存儲(chǔ)標(biāo)志位，若無(wú)數(shù)據(jù)輸入，“U”的數(shù)值往往是0/255；length代表長(zhǎng)度標(biāo)志位；其他參數(shù)代表存儲(chǔ)時(shí)間。波形數(shù)據(jù)經(jīng)由上升/下降被存儲(chǔ)在相應(yīng)存儲(chǔ)塊內(nèi)，存儲(chǔ)空間滿后，方可向下一存儲(chǔ)塊進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)移。DE2固有Flash僅有4M存儲(chǔ)空間，無(wú)法做到長(zhǎng)期存儲(chǔ)，不斷提高的采樣頻率，必然會(huì)使數(shù)據(jù)量出現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)，存儲(chǔ)時(shí)間被壓縮的情況難以避免。故可以采用通過(guò)壓縮ECG信號(hào)的方式，在確保其精度得到提高的基礎(chǔ)上，延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)間。

3.4 波形顯示程序

波形顯示的任務(wù)，主要是平滑顯示ECG所提供波形數(shù)據(jù)，另外，還要對(duì)峰值、采樣頻率等參數(shù)加以顯示。由于波形顯示需要具有良好實(shí)時(shí)性，因此，將其設(shè)成最高優(yōu)先級(jí)很有必要，這樣做可避免波形顯示環(huán)節(jié)被其他任務(wù)所打斷的情況出現(xiàn)。波形顯示往往以減點(diǎn)函數(shù)、加點(diǎn)函數(shù)為依托，Show Wave詳細(xì)規(guī)定了顯示區(qū)域/顏色/位置/字符大小與間距，此外，技術(shù)人員還設(shè)置了相應(yīng)的控制按鈕。

3.5 時(shí)間顯示與信息管理

由于該系統(tǒng)并未對(duì)不間斷電源記性設(shè)置，時(shí)鐘模塊無(wú)法做到持續(xù)運(yùn)行，要想更新時(shí)間，可供選擇的方法只有網(wǎng)絡(luò)更新與手動(dòng)設(shè)置。時(shí)鐘模塊的作用是對(duì)系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確反映，保證遠(yuǎn)程服務(wù)端及用戶時(shí)間完全一致。其工作流程如下：由CPU提供8位時(shí)間數(shù)據(jù)代表系統(tǒng)時(shí)分秒，本項(xiàng)目計(jì)劃借鑒寄存器模式，在提高效率的同時(shí)精簡(jiǎn)流程。經(jīng)由6個(gè)寄存器對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)置與讀取，3個(gè)寄存器負(fù)責(zé)時(shí)間設(shè)置工作，3個(gè)寄存器負(fù)責(zé)時(shí)間的準(zhǔn)確輸出。隨后，對(duì)25MHz系統(tǒng)時(shí)鐘做分頻處理，獲得1Hz時(shí)鐘，再借助該時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)時(shí)分秒加以確定。

6個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)偏移地址應(yīng)當(dāng)是3位二進(jìn)制，該偏移地址會(huì)使2個(gè)寄存器呈現(xiàn)出“未使用”的狀態(tài)。

而信息管理需要完成的任務(wù)，主要是：其一，對(duì)按鍵情況進(jìn)行獲??；其二，基于字符串對(duì)錄入字符進(jìn)行記錄；其三，經(jīng)由SendMSG對(duì)字符串加以顯示。研究表明PS2鍵盤(pán)對(duì)應(yīng)按鍵代碼向CPU送達(dá)的形式以ASCII為主，技術(shù)人員無(wú)需對(duì)鍵值做二次轉(zhuǎn)換處理，CPU資源自然得到節(jié)約。

4 主要硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 控制器

該控制器由編碼模塊/FIR濾波器/ADS控制模塊/心率處理器組成，下文將逐一進(jìn)行介紹，供相關(guān)人員參考。首先是編碼模塊，其主要功能是對(duì)濾波器、處理器所提供數(shù)據(jù)做編碼處理，將處理后數(shù)據(jù)存放在寄存器內(nèi)，為CPU日后的設(shè)置與讀取提供便利。其次是FIR濾波器，其作用是對(duì)ECG進(jìn)行數(shù)字濾波，在提高信號(hào)精確度的基礎(chǔ)上，借助波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)有程序，保證數(shù)字信號(hào)能夠被盡數(shù)轉(zhuǎn)換為波形輸出。再次是ADS控制模塊，其功能主要是對(duì)轉(zhuǎn)換芯片做控制采樣處理，并對(duì)串行數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其成為所需并行數(shù)據(jù)。最后是心率處理器，其主要作用是計(jì)算R-R時(shí)間，即心率。

4.2 控制模塊

經(jīng)由控制器處理的ECG信號(hào)，通常可被轉(zhuǎn)換為心率數(shù)據(jù)或波形數(shù)據(jù)，要想使上述數(shù)據(jù)得到直觀顯示，關(guān)鍵是有用來(lái)對(duì)其進(jìn)行二次變換的控制模塊，本項(xiàng)目所使用控制模塊為VGA模塊，其功能如下：一是對(duì)ECG信號(hào)進(jìn)行讀入，通過(guò)向控制器讀入心率數(shù)據(jù)/波形數(shù)據(jù)的方式，使顯示有據(jù)可依；二是對(duì)ECG信號(hào)進(jìn)行輸出，對(duì)VGA處理所得數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，待其格式被轉(zhuǎn)換為RGB后，便可借助VGA顯示器對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)加以顯示。

4.3 鍵盤(pán)控制器

輸入設(shè)備鍵盤(pán)常見(jiàn)類別為AT鍵盤(pán)、PS/2鍵盤(pán)。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，技術(shù)人員只需做到鍵盤(pán)電源地/數(shù)據(jù)腳/電源腳/時(shí)鐘腳與PC物理連接相對(duì)應(yīng)，便可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。這里要注意一點(diǎn)，數(shù)據(jù)腳與時(shí)鐘腳為集電極開(kāi)路，因此，技術(shù)人員需要將上拉電阻加設(shè)于端口處，這樣設(shè)計(jì)的目的是分壓及限流。無(wú)輸出前提下，上述管腳始終呈現(xiàn)出高電平的狀態(tài)，電平往往會(huì)在輸出數(shù)據(jù)的同時(shí)被拉低，待輸出環(huán)節(jié)結(jié)束，再恢復(fù)到之前的狀態(tài)。

結(jié)論：通過(guò)上文的分析能夠看出，在嵌入系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的當(dāng)下，具有諸多優(yōu)勢(shì)的SOPC被更加頻繁地應(yīng)用在醫(yī)療監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，而利用該技術(shù)采集、控制并處理生理信號(hào)，通?？扇〉檬掳牍Ρ兜男Ч?。要想基于SOPC對(duì)醫(yī)療信息進(jìn)行處理，先要采集并預(yù)處理心電信號(hào)，保證FPGA所獲得信號(hào)真實(shí)且精確，隨后，再由FPGA對(duì)預(yù)處理所得ECG信號(hào)加以分析，得出最終結(jié)論。