Hello！ 大家好，本次項(xiàng)目主題是“基于FPGA的ECG信號(hào)采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，與眾多STM32或Arduino等單片機(jī)直接利用軟件編程調(diào)用庫(kù)函數(shù)不同，本項(xiàng)目以底層邏輯為切入點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計(jì)，更加關(guān)注電路底層的細(xì)節(jié)，包括基礎(chǔ)模塊的劃分、接口信號(hào)的定義、verilog代碼設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證以及板級(jí)調(diào)試，在滿足性能要求下，同時(shí)會(huì)評(píng)估資源消耗問(wèn)題，希望大家能和我一起一步一步的完成此次工程項(xiàng)目，而不是簡(jiǎn)單的copy。其中難免有錯(cuò)誤，希望各位指正。

引言： FPGA開(kāi)發(fā)和數(shù)字IC設(shè)計(jì)十分相似，而兩者最基礎(chǔ)是verilog代碼設(shè)計(jì)，verilog是硬件描述語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)的數(shù)字電路具備硬件并行處理的優(yōu)點(diǎn)，所以verilog設(shè)計(jì)思想與基于軟件的編程語(yǔ)言是有很大不同的，復(fù)雜的verilog代碼設(shè)計(jì)不是隨隨便便直接在板子上調(diào)試成功的。 本項(xiàng)目側(cè)重對(duì)設(shè)計(jì)代碼的仿真驗(yàn)證，而不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單對(duì)代碼 “搬運(yùn)工”，達(dá)到所謂“快速”入門的假現(xiàn)象。在FPGA開(kāi)發(fā)中，每一行verilog代碼已經(jīng)決定了電路的性能和功能，仿真是對(duì)verilog代碼設(shè)計(jì)的有效驗(yàn)證方法，因?yàn)榇a存在的bug在仿真中會(huì)一一被定位出來(lái)，“速成”FPGA開(kāi)發(fā)都是假的，不能一行一行代碼看懂和敲出來(lái)，verilog學(xué)習(xí)的時(shí)長(zhǎng)都是無(wú)用功，正確設(shè)計(jì)方法+動(dòng)手練習(xí)是FPGA開(kāi)發(fā)/數(shù)字電路設(shè)計(jì)的正確打開(kāi)方法。

以下是我個(gè)人設(shè)計(jì)的方法： 首先根據(jù)你的硬件條件包括FPGA板型和其他硬件（AD、VGA、LCD、舵機(jī)、攝像頭等等），確定一個(gè)硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案； 接著根據(jù)需求和參考資料將整體劃分到各個(gè)小模塊，并確定各個(gè)模塊接口之間的數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)；畫(huà)時(shí)序圖主要是根據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)走向需要哪些控制信號(hào)，而控制信號(hào)主要實(shí)現(xiàn)方式就是cnt、enable、flag等等。

其次按照?qǐng)D紙就可以敲代碼了，而verilog代碼語(yǔ)法不是很難，主要是算術(shù)運(yùn)算符、賦值運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符、條件運(yùn)算符、位運(yùn)算符以及移位拼接等，一般設(shè)計(jì)會(huì)這些足夠了，而往往多數(shù)初學(xué)者覺(jué)FPGA設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單啊，大概指的這部分語(yǔ)法簡(jiǎn)單，但是在敲代碼過(guò)程中還要考慮到組合邏輯以及時(shí)序邏輯中常用的模塊，{組合邏輯主要包括常用邏輯門（與門、或門、非門、異或等）、比較器、半加器、全加器、乘法器、數(shù)據(jù)選擇器、三態(tài)門，時(shí)序邏輯主要包括D觸發(fā)器、兩級(jí)D觸發(fā)器、帶異步復(fù)位的D觸發(fā)器、帶異步復(fù)位同步清零的D觸發(fā)器、移位寄存器、單口RAM、偽雙口RAM、真雙口RAM、單口ROM、有限狀態(tài)機(jī)等}。而這些基本單元在寫(xiě)代碼過(guò)程做到心中有數(shù)，因?yàn)檫@些決定了設(shè)計(jì)的PPA（Performance，Power，Area）； 最后再通過(guò)仿真工具對(duì)設(shè)計(jì)的代碼進(jìn)行驗(yàn)證，首先是功能仿真也就是RTL行為級(jí)仿真，主要是檢查代碼中的語(yǔ)法錯(cuò)誤以及代碼行為的正確性，但是不包括延時(shí)信息，驗(yàn)證之前“模塊劃分與接口定義”階段。其次是后仿真也就是時(shí)序仿真，在設(shè)計(jì)布局布線后提供一個(gè)時(shí)序仿真模型，驗(yàn)證之前“畫(huà)接口信號(hào)時(shí)序”階段。

步驟一：項(xiàng)目框架

目的意義 在我國(guó)，隨著生活節(jié)奏加快，心血管疾病的發(fā)病率有逐年遞增的趨勢(shì)；同時(shí)由于人們生活水平和健康意識(shí)的不斷提高，對(duì)心臟類疾病進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的需求也不斷增加。但是，心血管疾病本身具有無(wú)癥狀性（病人在發(fā)生心肌缺血時(shí)并沒(méi)有胸痛、心絞痛等常見(jiàn)癥狀）和間歇性。 選擇這個(gè)主題主要原因之一是開(kāi)發(fā)一種可以幫主人們?nèi)粘Ｉ畹姆乔秩胄栽O(shè)備—基于FPGA的ECG信號(hào)采集與處理。市場(chǎng)上有許多ECG信號(hào)檢測(cè)產(chǎn)品可以提高效率（尺寸較小，將數(shù)據(jù)保存在云中等等），但是其中任何一件產(chǎn)品都很少涉及到復(fù)雜信號(hào)處理，并沒(méi)有與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)。

內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排：

本文基于Xilinx公司的Artix-7系列芯片xc7a35tcpg236-1和AD83232采集板搭建一套硬件平臺(tái)用以異常ECG信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。使用Vivado和ModelSim設(shè)計(jì)和仿真各個(gè)系統(tǒng)模塊的功能，本系統(tǒng)主要有AD8232信號(hào)采集，F(xiàn)PGA存儲(chǔ)和處理，C#GUI顯示及matlab處理。其中FPGA處理是核心部分，由以下模塊構(gòu)成：AD模塊、RAM模塊、UART模塊及濾波模塊。本文采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行編程，XADC具有兩個(gè)專用的差分輸入引腳Vp和Vn，可用于采樣模擬信號(hào)，通過(guò)ADC模塊完成100 MHz到360 Hz的數(shù)據(jù)采樣，同時(shí)采用低通濾波器消除共模噪聲；在所有存儲(chǔ)單元中存滿ECG的樣本數(shù)據(jù)后，將生成一個(gè)脈沖以觸發(fā)向PC的傳輸。UART模塊將接收一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)使用TX模塊進(jìn)行發(fā)送，當(dāng)接收UART檢測(cè)到起始位時(shí)，它將開(kāi)始以稱為波特率的特定頻率讀取輸入位。

本項(xiàng)目主要有以下方面：

1.FPGA學(xué)習(xí)流程。編寫(xiě)項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，主要包括數(shù)據(jù)通路和控制通路的設(shè)計(jì)，模塊劃分與接口信號(hào)的定義，數(shù)據(jù)通路原理圖以及控制通路時(shí)序圖，verilog代碼的具體設(shè)計(jì)，以及仿真驗(yàn)證，下載到FPGA開(kāi)發(fā)板調(diào)試。在verilog代碼設(shè)計(jì)過(guò)程會(huì)描述時(shí)序圖，用到IP核，數(shù)據(jù)通路的寄存器消耗資源進(jìn)行評(píng)估。

2.用到的濾波處理。在信號(hào)處理中，數(shù)字濾波器是一種對(duì)采樣的離散時(shí)間信號(hào)執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算以減少或增強(qiáng)該信號(hào)某些方面的系統(tǒng)。數(shù)字濾波器系統(tǒng)通常由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，使用FPGA或ASIC代替通用微處理器或具有特定并行架構(gòu)的專用DSP，以加快諸如過(guò)濾之類的操作。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介： 包含四大部分：AD采集模塊、RAM存儲(chǔ)模塊、濾波處理模塊、UART模塊。 首先，AD8232放大器輸出是一個(gè)介于0至3.3V之間的模擬值，ADC模塊的輸入應(yīng)為1V，因此需要進(jìn)行分壓。放置在放大器的輸出和FPGA板的輸入（Vp引腳）之間，AD模塊包括PLL和XADC 完成100 MHz到360 Hz的數(shù)據(jù)采樣。 其次，我們利用RAM模塊存儲(chǔ)通過(guò)ADC采集的樣本。模塊具有2個(gè)命令模式：讀取和寫(xiě)入。這兩種狀態(tài)由啟用寫(xiě)模式時(shí)為高電平和禁用寫(xiě)模式時(shí)為低電平的信號(hào)控制。

Step1:確定整個(gè)設(shè)計(jì)思路，ECG信號(hào)檢測(cè)的總體框圖，確定程序流程框圖 Step2: AD模塊、包括XADC和分頻時(shí)鐘接口定義，進(jìn)行具體verilog代碼設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證 Step3:RAM讀寫(xiě)模塊、根據(jù)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行接口定義，進(jìn)行具體verilog代碼設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證 Step4:Digital filter模塊、UART模塊接口定義，進(jìn)行具體verilog代碼設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證 Step5:進(jìn)行功能擴(kuò)展，并將以上所有模塊集成在一起，并且做整個(gè)仿真驗(yàn)證以及板級(jí)調(diào)試，通過(guò)在C＃GUI中顯示及保存為.csv文件，利用MATLAB進(jìn)行相關(guān)算法處理，整理打包完整的開(kāi)源方案所有資料。

編輯：jq