原创 FPGA菜鸟冲冲冲之LCD显示心电图图

一、主要步骤

要实现对人体心电数据的采样，在实际情况下主要分为AD转换、采样同步、LCD送显三个步骤：

AD转换包括采集模拟的心电信号、模数转换（包括采样、量化、编码三个步骤的，都交给AD芯片完成就可以）；

采样同步包括对AD转化得来的数据进行缓存，再以系统时钟将数据送给LCD送显部分（这是因为一般来说AD的采样速率比系统时钟频率要低得多）；

LCD送显部分需要来自采样同步的数据进行相关的量化计算，并缓存，再按照一定的顺序用确定的总线送给LCD显示（具体在LCD显示部分阐述）。

在本次实验中，我们省去了AD转换部分，代之以保存在ROM中的标准心电数据，用与AD采样频率相同的读地址ROM_Addr信号模拟AD采样输入。框图如下（图中只是画出了主要的信号，省略了时钟信号和复位信号）：

CTRL是主控模块，管理并控制各个功能模块的时序。

Sample&Syn是采样同步模块。CTRL用与AD采样频率相同的读地址ROM_Addr信号读取ECG_ROM中保存的标准心电数据，输出ROM_out给缓冲区FIFO，模拟AD采样输入；FIFO在CTRL的控制下同步较慢的输入（采样速率）和较快的输出（系统时钟频率）。

Cal&Show是计算送显模块。LCD_CAL根据FIFO_Out确定其对应的LCD点阵中点的位置，以数据LCD_Data和地址LCD_Addr的格式存入LCD_RAM缓存，再在系统时钟的控制下将RAM中的数据按确定顺序以SPI总线串行的传给LCD显示。

二、采样同步

ECG_ROM中存放了MIT-BIH的标准心电图数据库的数据，详见http://physionet.org/physiobank/database/mitdb/，选用标号为100的数据，采样速率为3600Hz。该数据库中数据时带符号的十进制小数，为了便于计算，统一将数据库中的数乘1000，再取补码。

为了模拟AD采样输入，CTRL输出用与AD采样频率相同的读地址ROM_Addr信号控制读取ECG_ROM中的数据。ECG_ROM和FIFO模块的输出数据流和时序如下图所示：

三、计算送显

本次实验中使用的LCD屏是64*128点阵，即每行有128个点，每列有64个点，64个点又可以均分为8页，每页8个点，1个点代表1bit，所以完整的一帧图像需要64*128个点的表示，一帧图像耗时64*128*Ts，其中Ts很短，由于人眼的视觉暂留效应，会使人产生图像连续的错觉，于是人就能从LCD上看到连续变化的运动图像了。

LCD_CAL模块主要负责对输入信号FIFO_Out进行转化运算，并确定其对应的LCD点阵中点的位置。

其中的转化运算包括：截取FIFO_Out的前6位，从补码转换成原码，将+0变成-0并将正数部分整体减1（即将上半页整体下移一行，+0与-0重合）。得到Val_Chg[5:0]，前三位用于计算Page，后三位用于计算LCD_Data。

我们自上而下将这8页命名为0-7页，我们用位宽为3的寄存器Page的存储Page信息。

位2表示符号Sign以区分上下屏：0-3页显示的是正值，所以Sign=1，4-7页显示的是负值，所以Sign=0。位1和位0表示绝对值Value，0-3页从大到小，4-7页从小到大。

Page[2:0]拼接上随时钟自增的Colume[7:0]组成地址LCD_Addr[9:0]。

每一页的8个点自上而下对应LCD_Data[7:0]的位0到位7，注意，无论是上半屏还是下半屏都应该遵循每一页自上而下对应0到7的顺序，只不过是Val_Chg[5:0]的后三位与LCD_Data[7:0]为1的位数的对应关系不同，详见下图。

下图展示的是LCD屏幕和数据的映射关系：

经过计算的数据在通过SPI串行总线送给LCD之前就要按照以上的数据-地址的格式保存在缓冲区LCD_RAM（1024个存储单元，每个单元位宽为8）中。与此同时，另一端从LCD_RAM 中逐行逐页地读取8位的数据，再通过SPI的并串转换，每个时钟传输1bit数据给LCD显示。

需要注意：LCD_RAM在最开始需要在CTRL的FIFO_Init信号的指示下进行初始化（一般来说是全部置0），此后每过128个时钟需要用FIFO_Init初始化一次，不然就会残留上一帧的数据了，影响下一帧的显示。

三、改进

为了能让LCD更好地显示心电图波形，我们针对显示的一些问题做了改进，罗列如下：

1、  LCD显示的点不连续。原因是ROM中的标准心电数据库的采样速率太低，一个R波（就是尖峰明显的波）只用了7-8个点表示，如下图所示（这是用matlab以离散点显示的ROM中的数据，这里只显示一个波形）。

为了能让波形连续，我对ROM中的标准心电数据进行了多次插值，每次插值都是在相邻的两个数值之间插入两数值的均值。显示结果表明心电波形连续。

2、  加入中心线。为了使显示更加精确，在LCD显示时加入位于屏幕中心的横线，用来区分正负数值。

具体做法是在修改LCD_RAM模块对于来自CTRL的FIFO_Init信号的响应，将原来的对RAM全部置0改为对RAM中所有列的Page4的置为0x01，参见上图（LCD屏幕和数据的映射关系）。

但是修改之后发现问题，当输入的数据处于Page4时，屏幕上数据所在的列会出现只显示数据点而不显示横线点的问题，发现是LCD_CAL模块对LCD_RAM模块的写操作行为的问题：由于对LCD_RAM的写操作是逐页逐列填写的，根据Page和Col拼接所得的LCD_Addr寻址，填写八位的LCD_Data数据，若LCD_Addr所寻地址位于Page4，一次性填写的八位数据LCD_Data就会覆盖掉初始化的横线数据0x01。因此，做修改：根据LCD_Addr做判断，若LCD_Addr所寻地址位于Page4，LCD_Data与0x01按位相或后再写入RAM。显示结果表明修改正确。