基于VHDL的EDA技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

0 引言

VHDL超高速集成電路硬件描述語言是隨著集成電路系統(tǒng)化和高度集成化逐步發(fā)展起來的，是一種用于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計、測試，面向多領(lǐng)域、多層次的IEEE標(biāo)準(zhǔn)硬件描述語言。它從20世紀(jì)70年代作為電路設(shè)計工具誕生于美國國防部至今，已經(jīng)成為十分流行的硬件描述工具，并且為大多數(shù)EDA工具所支持。隨著電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計正朝著高速度、大容量、小體積的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的自底而上的模式已不能滿足芯片和系統(tǒng)的設(shè)計要求。為了提高設(shè)計效率，能夠簡化設(shè)計流程，大幅降低設(shè)計難度的VHDL設(shè)計方法受到廣泛關(guān)注。VHDL與其他傳統(tǒng)集成電路描述語言相比，具有明顯優(yōu)勢：

(1)功能強(qiáng)大，描述力強(qiáng)?？捎糜陂T級、電路級甚至系統(tǒng)級的描述、仿真和設(shè)計。

(2)可移植性好。對于設(shè)計和仿真工具及不同的平臺均可采用相同的描述。

(3)研制周期短，成本低。

(4)可以延長設(shè)計的生命周期。

(5)具有電路仿真與驗(yàn)證功能，用戶甚至不必編寫相量測試即可進(jìn)行源代碼級調(diào)試。設(shè)計者能夠跳過電路實(shí)驗(yàn)，直接對各種方案進(jìn)行比較和選擇，使設(shè)計效率得以提高。

(6)對設(shè)計的描述具有相對獨(dú)立性。

(7)語言標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，易于共享和復(fù)用。

目前，VHDL滲透了電子技術(shù)及其相關(guān)的各個工業(yè)領(lǐng)域，在工業(yè)設(shè)計中發(fā)揮著日益重要的作用。在世界范圍內(nèi)，關(guān)于VHDL在多個領(lǐng)域尤其在芯片，系統(tǒng)設(shè)計方面的應(yīng)用研究已經(jīng)取得眾多矚目成果。

而將VHDL與醫(yī)學(xué)相結(jié)合，勢必成為電子自動化設(shè)計(EDA)一個全新的研究方向，本文主要研究將EDA通過VHDL應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，以對脈搏的測量為例，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)對人體多種生理活動及生理反應(yīng)的直觀精確測量。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計 1．1 EDA技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中脈搏測量中的應(yīng)用探討

在臨床診斷，護(hù)理學(xué)等中介紹脈搏的測量時認(rèn)為脈搏很容易在手腕掌面外側(cè)跳動的橈動脈上摸到，也可測量頸部的頸動脈或腹股溝的股動脈。其測量方法是病員手臂放于舒適位置，用食指，中指，無名指的指腹端按壓在橈動脈表面，一般病員默數(shù)半分鐘。將所測的脈率乘以2便是一分鐘的脈數(shù)，異常病人測一分鐘。成年人的脈搏在安靜狀態(tài)下每分鐘是60～80次。如少于60次是心動過緩。但訓(xùn)練有素的運(yùn)動員，脈搏有時也在60次以下，這正是心臟健康有力的表現(xiàn)。如超過100次是心動過速。體力活動或情緒激動時，脈搏可暫時增快，發(fā)燒時脈搏也增快。一般是體溫每升高1℃，脈搏就增加10～20次。此法只能粗略計算脈搏跳動。如將VHDL語言應(yīng)用其中，便可以通過EDA實(shí)驗(yàn)箱中的七段數(shù)碼管直觀準(zhǔn)確地看到一分鐘的計數(shù)結(jié)果，并與之前通過醫(yī)學(xué)教材講授方法測出結(jié)果相比對，從而判定測量的正確與否。

1．2 設(shè)計思路

將脈搏信號通過脈搏傳感器采集進(jìn)入計算機(jī)，而后作為輸入信號，而此信號作為脈沖信號，即如時鐘信號一般，當(dāng)輸入時計數(shù)器開始計數(shù)，如下面設(shè)計一個十進(jìn)制計數(shù)器的VHDL描述便可用來對所采集的脈搏信號計數(shù)。

1．3 VHDL設(shè)計流程

VHDL流程設(shè)計如圖1所示。

現(xiàn)在，計算機(jī)輔助工程軟件的供應(yīng)商已把日益通用的硬件描述語言VHDL作為其CAD或EDA軟件輸入與輸出的標(biāo)準(zhǔn)，其中ALTEKA公司提供的綜合工具M(jìn)ax+PlusⅡ，具有全面的邏輯設(shè)計能力，從編輯、綜合、布線到仿真、下載都十分方便。

2 設(shè)計方案與結(jié)果分析

VHDL語言設(shè)計十進(jìn)制計數(shù)器的源程序：
 

在程序輸入完成后，經(jīng)Max+PlusⅡ中的Compiler編譯通過后，可用STImulator進(jìn)行仿真，查看仿真結(jié)果，如圖2所示。

也可以加入七段顯示譯碼器的VHDL設(shè)計來通過實(shí)驗(yàn)箱的七段數(shù)碼管掃描顯示計數(shù)結(jié)果仿真結(jié)果如圖3所示。

代碼如下：
 

最終實(shí)現(xiàn)的頂層文件原理圖如圖4所示。
 

頂層文件設(shè)計如圖4所示，通過該文件可以實(shí)現(xiàn)譯碼，下載到EDA實(shí)驗(yàn)箱時，便可于實(shí)驗(yàn)箱的數(shù)碼管上讀出相應(yīng)的脈搏數(shù)，如圖5所示。

VHDL語言與醫(yī)學(xué)內(nèi)容的結(jié)合，除了應(yīng)用于脈搏的測量，還可應(yīng)用于心跳及呼吸等的測量，以及受人體對聲、光刺激后的生理反應(yīng)時間的測定等。電子自動化設(shè)計(EDA)及其相關(guān)技術(shù)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)掘。

3 結(jié)語

VHDL是一種隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，為滿足電路系統(tǒng)化和高度集成化要求而發(fā)展起來的一種新型硬件描述語言。VHDL具有廣泛的應(yīng)用范圍，在芯片及電路系統(tǒng)設(shè)計等方面發(fā)揮著日益重要的作用。以VHDL為核心的EDA技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，能直觀準(zhǔn)確的測量人體的脈搏心跳，呼吸等生理活動，以及受到外界刺激的生理反應(yīng)等，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域存在廣闊的發(fā)展空間，隨著進(jìn)一步的探索和實(shí)踐，必將對醫(yī)學(xué)的發(fā)展起到極大的推動作用。