謝宏，萬兵，楊文璐，夏斌，姚楠
（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院 上海 201306）
摘要：介紹了一種近紅外信號采集模塊的設(shè)計方案,它主要采用ADS1299采樣芯片，利用FPGA的可編程邏輯控制的特點，采用狀態(tài)機編程思想，通過編程設(shè)計A/D的讀控制時序和寫控制時序，將采樣結(jié)果實時保存在雙口RAM里，并通過NiosII軟核處理器進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)高精度多通道A/D采樣系統(tǒng)采集模塊的設(shè)計。通過實驗表明，該設(shè)計是有效可行的。
關(guān)鍵詞：近紅外信號；FPGA；NIOSII；ADS1299；A/D采集模塊；狀態(tài)機
0引言
21世紀(jì)是生物科學(xué)與腦科學(xué)的時代，功能近紅外光譜技術(shù)（Functional NearInfrared Spectroscopy, FNIRS）是一種新興的腦功能檢測技術(shù)，它利用近紅外光波段700-900 nm在大腦中傳播的吸收特性，能夠提供基于血紅蛋白濃度變化的血液動力學(xué)信息，反映大腦皮質(zhì)的血氧代謝狀況，可用于腦功能活動的檢測。相比于傳統(tǒng)腦電信號（EEG）的檢測方法，它具有高的時間分辨率、實時性、抗干擾性以及高穩(wěn)定性等優(yōu)點［1］。
目前的腦功能信號采集設(shè)備的體積往往較大，只能用于固定場所，不便于實時信號獲取，不能用于突發(fā)狀況，因此急需一種便捷式腦功能信號采集設(shè)備。在便捷式腦功能信號采集方面，國外研究較早，技術(shù)比較成熟，已做出產(chǎn)品，但售價昂貴。國內(nèi)方面大多處于數(shù)據(jù)處理、特征提取和應(yīng)用研究上，對相關(guān)儀器的研發(fā)偏少，更沒能開發(fā)出相關(guān)的系統(tǒng)［2］，因此研究便捷式腦功能信號采集的設(shè)備具有重要的意義。
為了完整反映腦部的不同區(qū)域活動情況，需要同時采集多路數(shù)據(jù)，因此對信號處理的實時性、抗干擾性與精度有很高的要求，而ADS1299的8路低噪聲24位同時采樣的特性能很好地滿足了這一需求。它是一款常用腦電信號的采集芯片，由于近紅外信號比腦電信號穩(wěn)定得多且受到的干擾較小，因此同樣也適合近紅外信號的采集，在同等條件下，采集的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠，而且高度集成，其體積小、功耗低等優(yōu)點對便捷式系統(tǒng)的設(shè)計十分的有利［3］。在主控芯片的選取中，很多文獻(xiàn)都是采用單片機、ARM以及DSP作為主控制芯片，如文獻(xiàn)［4］、［5］等，使其在運行速度、數(shù)據(jù)處理、接口靈活性以及對功能的擴展方面都有各自的局限性，往往顧此失彼，不能兼得，而FPGA強大的功能不但綜合了它們的優(yōu)點，而且克服了這些不足，十分適合作為主控芯片。因此，本文提出了一種基于ADC+FPGA+PC架構(gòu)的方案，設(shè)計一個高度集成的便捷式近紅外光信號采集系統(tǒng)。
1總體設(shè)計
基于功能近紅外光譜技術(shù)的原理，將近紅外LED的760 nm、850 nm波長的發(fā)射光強分別調(diào)制在0.8 KHz和1.2 KHz的正弦波上，實現(xiàn)了兩個波長的頻分復(fù)用，而在不同通道之間，采用時分復(fù)用進(jìn)行傳輸，從而實現(xiàn)近紅外信號的多路傳輸。此后，發(fā)射出的近紅外信號經(jīng)過大腦反射后通過光電轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過預(yù)處理（阻抗匹配和低通濾波）后，進(jìn)入集成模擬前端。根據(jù)采集的信號頻率和奈奎斯特采樣定理，TI公司的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1299的250~16 kS/s的采樣速度能夠很好地滿足要求，24位的極高采樣精度也大大降低了對信號預(yù)處理的要求,且信號穩(wěn)定，無需采用差分輸入方式。系統(tǒng)采用Altera公司的FPGA芯片EP2C20F484C7作為主控芯片，利用硬件描述語言（VHDL）將GPIO口配置成通用串行SPI口，用SPI與ADS1299進(jìn)行通信。在FPGA內(nèi)部配置了一個雙口的RAM，用于實時存儲ADS1299的輸出結(jié)果。FPGA內(nèi)部采用Avalon_MM總線進(jìn)行通信，CPU采用NIOSII軟核處理器，處理后的數(shù)據(jù)通過UART總線傳輸至PC。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
2FPGA控制ADS1299的實現(xiàn)
2.1ADC與FPGA接口模塊設(shè)計
2.1.1SPI接口控制原理
串行外圍設(shè)備接口（Serial Peripheral Interface，SPI）是一種高速、全雙工、同步的通信總線。它僅需四條信號線，不僅僅節(jié)約了管腳，而且對PCB的布局十分有利。正是由于這種簡單易用的特性，許多公司的芯片都集成了這種通信協(xié)議。而ADS1299正是采用了這種協(xié)議［6］。
ADS1299的SPI接口由四條信號線組成，分別定義為CS、SCLK、DIN和DOUT。其中CS是芯片的片選信號，只有CS有效時（一般為低電平有效），對芯片的操作才可行有效，根據(jù)CS這一特性，可以在同一總線上連接多個SPI設(shè)備，而使其數(shù)據(jù)的傳輸不產(chǎn)生沖突。SCLK是SPI同步時鐘信號，該信號多由主機產(chǎn)生，數(shù)據(jù)信號往往在該時鐘的上升沿或下降沿逐位進(jìn)行傳輸。DIN和DOUT是主從機進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)信號，DIN即主機的輸入或者說是從機的輸出，DOUT即主機的輸出或者說是從機的輸入。SPI的工作模式有兩種：主模式和從模式。SPI總線可以配置成單主單從、單主多從和互為主從三種通信方式。在設(shè)計中，將FPGA作為SPI的主機，ADS1299作為從機，使其處于單主單從的工作模式。其中的信號CS和SCLK是由FPGA內(nèi)部信號控制產(chǎn)生的。
圖2是FPGA的SPI組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。SPI組件通過Avalone總線和中斷請求信號irq與NIOSII處理器相連。內(nèi)部也有一個divisor寄存器，也是對其輸入工作時鐘進(jìn)行分頻得到最終與外設(shè)接口的時鐘sclk。rxdata和txdata寄存器用于NIOSII處理器讀寫收發(fā)數(shù)據(jù)，與它們直接接口的還有一個串并轉(zhuǎn)換的移位寄存器shifin和一個并串轉(zhuǎn)換的移位寄存器shifout。NIOSII可以從status寄存器讀取當(dāng)前SPI組件的狀態(tài)，slave select寄存器主要是在擁有多個從機時控制其片選。
2.1.2有限狀態(tài)機編程思想與時序程序設(shè)計
有限狀態(tài)機是一類很重要的時序電路，是許多數(shù)字電路的核心部分，且有限狀態(tài)機的編程設(shè)計具有高速性、可靠性、穩(wěn)定性的特點。因此，對于ADC與FPGA接口模塊與雙口RAM讀寫模塊，將采取有限狀態(tài)機進(jìn)行編程。與傳統(tǒng)的用CPU按照指令逐條運行的操作方式相比，采用狀態(tài)機的形式，可以在每個狀態(tài)中并行同步完成許多運算和控制操作，而且一般用狀態(tài)機構(gòu)成的硬件系統(tǒng)比對應(yīng)的用CPU按照指令完成同樣功能的系統(tǒng)的工作速度要高出3～5個數(shù)量級，是其高速性的具體體現(xiàn)。在可靠性與穩(wěn)定性方面，由于其運行不依賴軟件指令逐條執(zhí)行，且是由FPGA中的純硬件電路構(gòu)成，因此不存在CPU運行軟件過程中的許多缺陷，具有很高的可靠性與穩(wěn)定性［7］。
圖3是ADS1299串行接口的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。將其劃為24個有限狀態(tài)，S_Idle 為空閑狀態(tài)，S_CS、S_Wreg_1、S_Wreg_2、S_ID、S_config1、S_config2、S_config3、S_Loff、S_CH1_set、S_CH2_set、S_CH3_set、S_CH4_set、S_CH5_set、S_CH6_set、S_CH7_set、S_CH8_set、S_Bias_sensp、S_Bias_sen、S_Loff_sensp、S_Loff_sensn、S_Loff_fli、S_Loff_statp、S_Loff_statn、S_Gpio、S_Misc1、Misc2、S_config4為ADC內(nèi)部寄存器配置的初始狀態(tài)。S_Start_c為指令控制ADC起始的轉(zhuǎn)換狀態(tài)（ADC由指令進(jìn)行控制，此時芯片上START引腳接低電平）。S_Start為ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，控制ADC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。S_DRDY是數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換好，可以輸出的使能狀態(tài)，低電平有效，在輸出時鐘的第一個上升沿時拉高。S_CS_Assert為片選狀態(tài)。S_RDATA控制其進(jìn)入單口傳輸模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（ADC內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸有兩種模式：持續(xù)傳輸模式與單口傳輸模式，其中單口傳輸模式更適合腦電信號的傳輸）。S_STAT、S_CH1、S_CH2、S_CH3、S_CH4、S_CH5、S_CH6，S_CH7、S_CH8為ADC內(nèi)部狀態(tài)寄存器與八通道的數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)。S_Stop_c為控制轉(zhuǎn)換的停止?fàn)顟B(tài)，此時ADC停止工作。
2.2雙口RAM的讀寫
所謂的雙口RAM就是在一個SRAM存儲器上具有兩套完全獨立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線，其最大的特點是存儲數(shù)據(jù)共享，并允許兩個獨立的CPU或控制器同時對該存儲器進(jìn)行隨機性的讀寫訪問，即可以同時異步地對存儲器進(jìn)行讀寫［8］。基于以上特點，可以將采樣結(jié)果實時儲存在雙口RAM里，處理器可實時讀取采樣結(jié)果，這樣能夠不占用處理器資源，大大提高了處理器的工作效率［9］。圖4是簡單的雙口RAM的接口配置電路。
根據(jù)雙口RAM的工作原理和讀寫時序要求。其時序波形圖如圖5所示。
2.3結(jié)果分析
整個設(shè)計是在Altera公司提供的Quartus II、NIOS II Software Build Tools for Eclipse以及Modelsim等軟件平臺上完成的，整體采用VHDL硬件語言設(shè)計，F(xiàn)PGA通過Avalon_mm總線與各模塊進(jìn)行通信，外部通過UART與PC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
通過Modelsim仿真測試，測得用狀態(tài)機編寫ADS1299與FPGA接口的部分仿真時序如圖6所示。
雙口RAM的讀寫時序如圖7所示。
3結(jié)論
本文設(shè)計的基于FPGA 控制、雙口RAM存儲的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有可靠性高、數(shù)據(jù)不丟失、抗干擾性強、便于數(shù)據(jù)傳輸、存儲、顯示和處理及可擴展性好等優(yōu)點。其相比于傳統(tǒng)采集系統(tǒng)設(shè)計，一方面，簡化了硬件電路；另一方面，減少了對處理器資源的占用，對提高處理器的效率具有很大意義。實驗表明，系統(tǒng)的各項指標(biāo)均達(dá)到要求，具有很強的工程實用價值。
參考文獻(xiàn)
［1］ 張巖.基于近紅外光譜技術(shù)的腦功能活動信號提取方法研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011.
［2］ 謝宏,王光明，姚楠，等.可穿戴式的功能近紅外光譜成像系統(tǒng)的前端設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34(10):29 31.
［3］ TI.ADS1299EEG FE user’s guide［OL］.(2012 01 XX)［2016 03 28］http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/syml ink/slau443.pdf.
［4］ 孫廣金.基于ADS1299的新型腦電采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.機械與電子,2014(1):73 74.
［5］ 宋勐翔,陳蘭嵐.基于ADS1298與STM32F407的心電采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2015(13):141 144.
［6］ 吳厚航.深入淺出玩轉(zhuǎn)FPGA［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010.
［7］ 王小進(jìn), 涂煜. 基于AD7606的繼電保護(hù)數(shù)據(jù)處理設(shè)計［J］.船電技術(shù),2014,34(9):46 49．
［8］ 謝宏,李亞男,夏斌,等.基于ADSl299的可穿戴式腦電信號采集系統(tǒng)前端設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2014,40(3):86 89．
［9］ 唐永輝,徐鳴謙,烏建中.雙口RAM在嵌入式多CPU系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.制冷空調(diào)與電力機械,2005（1）：49 52.
