Hello！ 大家好，本次項目主題是“基于FPGA的ECG信號采集與處理系統(tǒng)設(shè)計”，與眾多STM32或Arduino等單片機直接利用軟件編程調(diào)用庫函數(shù)不同，本項目以底層邏輯為切入點進行數(shù)字電路設(shè)計，更加關(guān)注電路底層的細節(jié)，包括基礎(chǔ)模塊的劃分、接口信號的定義、verilog代碼設(shè)計、仿真驗證以及板級調(diào)試，在滿足性能要求下，同時會評估資源消耗問題，希望大家能和我一起一步一步的完成此次工程項目，而不是簡單的copy。其中難免有錯誤，希望各位指正。

引言： FPGA開發(fā)和數(shù)字IC設(shè)計十分相似，而兩者最基礎(chǔ)是verilog代碼設(shè)計，verilog是硬件描述語言，實現(xiàn)的數(shù)字電路具備硬件并行處理的優(yōu)點，所以verilog設(shè)計思想與基于軟件的編程語言是有很大不同的，復(fù)雜的verilog代碼設(shè)計不是隨隨便便直接在板子上調(diào)試成功的。 本項目側(cè)重對設(shè)計代碼的仿真驗證，而不是簡簡單單對代碼 “搬運工”，達到所謂“快速”入門的假現(xiàn)象。在FPGA開發(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verilog代碼設(shè)計的有效驗證方法，因為代碼存在的bug在仿真中會一一被定位出來，“速成”FPGA開發(fā)都是假的，不能一行一行代碼看懂和敲出來，verilog學(xué)習(xí)的時長都是無用功，正確設(shè)計方法+動手練習(xí)是FPGA開發(fā)/數(shù)字電路設(shè)計的正確打開方法。

以下是我個人設(shè)計的方法： 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、攝像頭等等），確定一個硬件的詳細設(shè)計方案； 接著根據(jù)需求和參考資料將整體劃分到各個小模塊，并確定各個模塊接口之間的數(shù)據(jù)信號和控制信號；畫時序圖主要是根據(jù)數(shù)據(jù)信號走向需要哪些控制信號，而控制信號主要實現(xiàn)方式就是cnt、enable、flag等等。

其次按照圖紙就可以敲代碼了，而verilog代碼語法不是很難，主要是算術(shù)運算符、賦值運算符、關(guān)系運算符、邏輯運算符、條件運算符、位運算符以及移位拼接等，一般設(shè)計會這些足夠了，而往往多數(shù)初學(xué)者覺FPGA設(shè)計很簡單啊，大概指的這部分語法簡單，但是在敲代碼過程中還要考慮到組合邏輯以及時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，時序邏輯主要包括D觸發(fā)器、兩級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)機等}。而這些基本單元在寫代碼過程做到心中有數(shù)，因為這些決定了設(shè)計的PPA（Performance，Power，Area）； 最后再通過仿真工具對設(shè)計的代碼進行驗證，首先是功能仿真也就是RTL行為級仿真，主要是檢查代碼中的語法錯誤以及代碼行為的正確性，但是不包括延時信息，驗證之前“模塊劃分與接口定義”階段。其次是后仿真也就是時序仿真，在設(shè)計布局布線后提供一個時序仿真模型，驗證之前“畫接口信號時序”階段。

步驟一：項目框架

目的意義 在我國，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；同時由于人們生活水平和健康意識的不斷提高，對心臟類疾病進行實時監(jiān)護的需求也不斷增加。但是，心血管疾病本身具有無癥狀性（病人在發(fā)生心肌缺血時并沒有胸痛、心絞痛等常見癥狀）和間歇性。 選擇這個主題主要原因之一是開發(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信號采集與處理。市場上有許多ECG信號檢測產(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)雜信號處理，并沒有與數(shù)據(jù)庫進行比對。

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用以異常ECG信號檢測系統(tǒng)。使用Vivado和ModelSim設(shè)計和仿真各個系統(tǒng)模塊的功能，本系統(tǒng)主要有AD8232信號采集，F(xiàn)PGA存儲和處理，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硬件描述語言進行編程，XADC具有兩個專用的差分輸入引腳Vp和Vn，可用于采樣模擬信號，通過ADC模塊完成100 MHz到360 Hz的數(shù)據(jù)采樣，同時采用低通濾波器消除共模噪聲；在所有存儲單元中存滿ECG的樣本數(shù)據(jù)后，將生成一個脈沖以觸發(fā)向PC的傳輸。UART模塊將接收一個信號，該信號使用TX模塊進行發(fā)送，當(dāng)接收UART檢測到起始位時，它將開始以稱為波特率的特定頻率讀取輸入位。

本項目主要有以下方面：

1.FPGA學(xué)習(xí)流程。編寫項目詳細設(shè)計方案，主要包括數(shù)據(jù)通路和控制通路的設(shè)計，模塊劃分與接口信號的定義，數(shù)據(jù)通路原理圖以及控制通路時序圖，verilog代碼的具體設(shè)計，以及仿真驗證，下載到FPGA開發(fā)板調(diào)試。在verilog代碼設(shè)計過程會描述時序圖，用到IP核，數(shù)據(jù)通路的寄存器消耗資源進行評估。

2.用到的濾波處理。在信號處理中，數(shù)字濾波器是一種對采樣的離散時間信號執(zhí)行數(shù)學(xué)運算以減少或增強該信號某些方面的系統(tǒng)。數(shù)字濾波器系統(tǒng)通常由一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入信號進行采樣，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，以加快諸如過濾之類的操作。

項目簡介： 包含四大部分：AD采集模塊、RAM存儲模塊、濾波處理模塊、UART模塊。 首先，AD8232放大器輸出是一個介于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模塊存儲通過ADC采集的樣本。模塊具有2個命令模式：讀取和寫入。這兩種狀態(tài)由啟用寫模式時為高電平和禁用寫模式時為低電平的信號控制。

Step1:確定整個設(shè)計思路，ECG信號檢測的總體框圖，確定程序流程框圖 Step2: AD模塊、包括XADC和分頻時鐘接口定義，進行具體verilog代碼設(shè)計和仿真驗證 Step3:RAM讀寫模塊、根據(jù)狀態(tài)機進行接口定義，進行具體verilog代碼設(shè)計和仿真驗證 Step4:Digital filter模塊、UART模塊接口定義，進行具體verilog代碼設(shè)計和仿真驗證 Step5:進行功能擴展，并將以上所有模塊集成在一起，并且做整個仿真驗證以及板級調(diào)試，通過在C＃GUI中顯示及保存為.csv文件，利用MATLAB進行相關(guān)算法處理，整理打包完整的開源方案所有資料。

編輯：jq