楊富龍 林冬梅 陳曉雷 黃 玲 馬永強 馬 晶

(蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院,蘭州 730050)

隨著我國電子信息產業(yè)的不斷壯大發(fā)展,人才需求尤其是應用型人才需求尤為迫切,對其解決復雜工程問題的工程實踐能力也提出了更深層次的要求,更彰顯出實踐教學在專業(yè)的人才培養(yǎng)中的重要性。然而,目前實踐教學中存在如下問題:理論基礎知識與實踐教學環(huán)節(jié)相互結合不夠緊密[1-2];課內實驗、課程設計、綜合訓練等實踐環(huán)節(jié)多數(shù)僅為課程服務,相對獨立、不成體系[3-4];大部分高校均采用專用實驗發(fā)板,資源利用率較低[5]; 缺少創(chuàng)新設計、創(chuàng)意實驗、平臺,且其主要是針對某一專業(yè)課程的實驗箱和開放實驗等綜合性實踐訓練,學生系統(tǒng)設計、開發(fā)能力普遍不足[6-7]。針對上述問題,多所高校不同專業(yè)團隊進行系列探索與實踐,提升了學生實踐能力和創(chuàng)新意識,取得了不錯的教學成效[8-14]。

蘭州理工大學“EDA技術”教師團隊以培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力為核心,圍繞拓展實踐內涵、激發(fā)學習興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新意識等,設計開發(fā)了基于FPGA的信號采集實踐教學項目。該實踐教學案例主要由信號調理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、濾波模塊、特征提取模塊、SDRAM模塊和顯示模塊等部分構成,覆蓋信號檢測、信號分析與處理、特征提取與應用全過程,與蘭州理工大學電子信息科學與技術專業(yè)特色與培養(yǎng)方向相一致。同時,項目完成需集成運用電子信息科學與技術專業(yè)主干課程如“EDA技術”“模擬電子技術”“數(shù)字電子技術”“傳感器原理與應用”“信號檢測”“通信原理”和“數(shù)字信號處理”等所學知識,實現(xiàn)了對學生多專業(yè)知識的交叉應用與綜合實踐創(chuàng)新訓練。

1 系統(tǒng)框架與模塊設計

1.1 系統(tǒng)框架

項目選用FPGA芯航線AC620開發(fā)板,采用Altera公司Cyclone IV系列EP4CE10F17C8作為系統(tǒng)主控芯片,具有充足的擴展接口,便于根據(jù)設計需求接入外設,為學生進行創(chuàng)新性實驗提供開放性設計平臺。本項目FPGA芯片主要完成系統(tǒng)邏輯功能的設計,對其他外部組件進行控制。前端利用血氧飽和度傳感器檢測人體脈搏波信號,輸入硬件調理電路以完成對信號的增益放大與降低噪音,然后由FPGA平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制、串口通信控制、數(shù)據(jù)分析處理及特征提取。借助TFT屏幕實時顯示動態(tài)脈搏波形及脈率,UAR串口模塊實現(xiàn)與計算機之間的通信,并由SD卡實現(xiàn)采集存儲,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

通過該系統(tǒng)分析與設計,使學生清晰認知脈搏信號檢測、分析與處理、特征提取與應用全過程,進一步鞏固與強化“傳感器原理與應用”“模擬電子技術”“數(shù)字電子技術”“EDA技術”“通信原理”和“數(shù)字信號處理”等相關知識,深刻感受所學專業(yè)理論在工程實踐中的應用,提升其學習積極性、主動性及探索創(chuàng)新意識。

1.2 信號調理電路模塊

簡述脈搏信號的生理基礎和診斷意義,融入脈診對中醫(yī)發(fā)展重要貢獻和脈搏信號檢測與健康監(jiān)護行業(yè)現(xiàn)狀等思政元素。講解光電容積法測量脈搏血氧飽和度原理,使學生了解傳感器輸出信號的幅值小、易受到外界光和暗電流影響的屬性,展示實物與測量原理如圖2所示。讓學生認知脈搏信號屬于微弱信號特點及存在諸多噪聲和干擾,確定調理電路模塊由電壓電流轉換電路、前置差分放大電路、濾波電路、反相放大電路和電壓抬升電路等部分構成的方案。

圖2 脈搏傳感器及測量原理

1.3 模數(shù)轉換模塊設計與仿真

本系統(tǒng)利用芯航線AC620開發(fā)板上自帶的ADC128S022芯片,具有8個采集通道和12位轉換分辨率。轉換速率高,支持多種與外部設備通信接口,與FPGA之間通信采用SPI模式。SCLK支持頻率范圍在0.8～3.2 MHz,本系統(tǒng)設置SCLK頻率為1.92 MHz。同時,再設置一個2倍的SCLK為采樣時鐘,即2 SCLK=3.84 MHz。當每個時鐘上升沿到來時,使用循環(huán)移位寄存器來寄存芯片數(shù)據(jù)并輸出線上的轉換結果,一次轉換過程中總共循環(huán) 12 次,仿真結果如圖3所示。經過該模塊使學生理解模數(shù)轉換的重要性及意義,并能利用網(wǎng)絡資源查閱芯片手冊,依據(jù)芯片時序配置工作模式,并借助Modelsim仿真其工作過程。

圖3 模數(shù)轉換仿真圖

1.4 濾波器模塊設計與仿真

1)FIR低通濾波器模塊設計與仿真

針對脈搏信號高頻噪聲特點[15],確定濾波方案并分析其可行性,本案例介紹有限長單位脈沖響應數(shù)字濾波器(FIR)方法。利用Matlab軟件中fdatool程序包確定濾波器系列參數(shù)h(n),設置濾波性能生成31階濾波器系數(shù),如圖4所示。鑒于FPGA更便于處理整數(shù),因此將所有系數(shù)同時乘以104,進而取整編寫濾波程序。圖5為運行Modelsim仿真程序獲取低通濾波器仿真圖,上面波形為帶有噪聲的正弦數(shù)據(jù),下面波形為濾除高頻干擾的低頻正弦信號。

圖4 FIR濾波器系數(shù)

圖5 FIR低通濾波器仿真結果

2)高通濾波器模塊設計與仿真

引導學生通過查閱文獻理解脈搏信號采集過程中基線漂移干擾產生的原因及特點,歸納借助“數(shù)字信號處理”課程中經典IIR和FIR設計高通濾波器濾除方法,并對比優(yōu)缺點。本案例以提升學生創(chuàng)新意識出發(fā),利用基于排序理論中值濾波法排除呼吸信號干擾,獲得平穩(wěn)的脈搏信號。因為脈搏采集系統(tǒng)采樣率為250 Hz,濾波窗長度一般為采樣率的30%,窗長太窄會引起信號失真,窗長太寬則達不到抑制基線的效果,綜合分析窗長選擇250×30%=75。借助硬件描述語言編制工程文件,運行Modelsim仿真結果如圖6所示。

圖6 中值濾波仿真結果

本模塊以數(shù)字信號處理核心知識點數(shù)字濾波器的設計為核心,使學生對應用與不同頻率特性的低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和陷波器等有了更加清晰的理解。針對課程重點講授的IIR 和FIR 濾波器原理及設計過程,嘗試借助Matlab軟件工具包和硬件描述語言基于FPGA器件實現(xiàn)。通過該模塊訓練一定程度上解決學生了解濾波器基礎理論知識,卻難以實際工程應用的問題。

1.5 脈率模塊設計與仿真

根據(jù)脈搏信號特征,使用閾值法計算脈率較為合理,設置兩個閾值,一個波峰閾值、一個波谷閾值。依據(jù)兩個閾值,獲取采集脈率方波,根據(jù)脈率方波計算頻率。通過該模塊訓練,學生能夠對信號特征提取及應用有更深刻的認知,進一步感受信號檢測、處理與應用之間的關系。如圖7所示為SignalTap II邏輯分析儀測試脈率模塊的檢測結果,結果顯示脈率為81次/min、頻率1.35 Hz、最大幅值2.01 V、最小幅值0.89 V。

圖7 脈率檢測結果

1.6 Nios II存儲軟核設計

采集的脈搏需存儲以便后續(xù)處理與應用,本項目利用NIOS II軟核處理器建立SOPC系統(tǒng)。用Verilog底層程序對SD卡讀寫,先對SD卡初始化操作,然后再讀寫操作?？紤]到寫入數(shù)據(jù)的可利用性,故不采用底層程序對SD卡讀寫,存儲的數(shù)據(jù)通過文件系統(tǒng)讀寫,可用USB讀卡器讀取數(shù)據(jù),避免了底層程序對SD卡的讀寫地址不一致。

2 系統(tǒng)整體構建與實物展示

如圖8所示,基于FPGA脈搏采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)分別進入三個模塊,UART串口模塊、脈率計算模塊和濾波模塊。濾波處理后的數(shù)據(jù)一方面進入TFT顯示模塊,驅動TFT顯示,另一方面進入NIOS II處理寫入SD卡,進入UART的數(shù)據(jù)通過SPI傳至計算機。

圖8 采集系統(tǒng)FPGA邏輯電路

系統(tǒng)運行結果如圖9所示,可實時監(jiān)測脈搏信號、計算脈率參數(shù)及液晶顯示。采集的數(shù)據(jù)能夠存儲在外部存儲器以及實現(xiàn)與計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｔ撓到y(tǒng)采集速度快、轉換精度高,能更好地反映出脈搏波的變化,具有時效性和可靠性等優(yōu)點。學生也可在程序中添加姓名、年月日、星期、時分秒等信息,以提升其主動探索積極性與興趣。

圖9 系統(tǒng)調試結果

3 實驗教學實施效果

“EDA技術”實驗課程面向蘭州理工大學電子信息科學與技術、通信工程、自動化、機器人等6 個信息類專業(yè)的學生,每年直接授課學生1200余人。課程組團隊教師對實驗教學體系、教學內容、教學方法與方式等方面存在的問題進行認真研究與探索,以EDA技術發(fā)展趨勢為引領,注重工程能力、分析能力和實踐能力的培養(yǎng),構建了一個從基本工程實踐技能向創(chuàng)新能力逐級遞進的實踐體系?；贔PGA的脈搏信號采集實踐教學項目,提高了學生設計復雜數(shù)字系統(tǒng)的能力和參與學科競賽的積極性,特別是在全國大學生電子設計大賽和全國大學生集成電路大賽等專業(yè)國家A類賽事中利用EDA技術競賽獲獎數(shù)量逐年提升。

以蘭州理工大學電子信息科學與技術專業(yè)為例,近三年“EDA技術”課程通過引入該創(chuàng)新實踐項目訓練,學生設計的數(shù)字電路系統(tǒng)規(guī)模由僅為近百個邏輯門(如交通燈、計價器等)提升至近萬個單元邏輯門(如心電監(jiān)護系統(tǒng)、數(shù)字濾波器等),其設計數(shù)字系統(tǒng)的能力和水平得到極大提升。學生通過項目設計、方案優(yōu)化、硬件實現(xiàn)、功能測試、匯報答辯等訓練過程,提高了工程實踐素質。深入分析課程目標達成情況發(fā)現(xiàn),“EDA技術”課內實驗環(huán)節(jié)所對應目標達成度為:2019年0.76、2020年0.80、2021年0.81,EDA技術綜合訓練環(huán)節(jié)所對應的課程目標達成度為:2019年0.74、2020年0.77、2021年0.81,表明學生解決實踐工程問題的能力逐漸提升。

4 結語

經過多年實踐與探索,基于FPGA的脈搏信號采集實踐教學項目已成功應用于蘭州理工大學EDA技術實踐教學體系中,體現(xiàn)如下特征:

(1)團隊教師以培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力為出發(fā)點,將專業(yè)特色與核心主干課程實踐教學內容有機結合,整合碎片化知識點,構建多元融合實踐教學體系。

(2)采用項目案例式模式進行綜合創(chuàng)新性實驗教學,激發(fā)了學生實踐的自主性和創(chuàng)新性,符合創(chuàng)新能力培養(yǎng)要求。

(3)以實際工程項目為依托,縱向梳理“EDA技術”課程脈絡,有效解決了在有限課時內完成復雜數(shù)字系統(tǒng)設計的難題,促進學生電子信息知識體系的構建。

(4)將教師科研項目融入實踐教學,拓展教學內涵縱向延伸性,督促學生在工程實踐中鍛煉創(chuàng)新思維、打磨科研素質和能力。