基于FPGA的多频电疗仪的设计

                   (内蒙古商贸职业学院，内蒙古 呼和浩特 010000)
摘 要：本文介绍了利用NCO IP核和DSP Builder实现中频理疗信号发生器的详细方法及其原理。在Matlab Simulink中设计了伪随机序列产生模块和正弦信号发生模块，并转换到Quartus II中进行了仿真分析，最后下载到FPGA器件上测试。观察示波器的波形可知该设计满足要求。
关键词：中频理疗；NCO；DSP Builder；FPGA
中图分类号：TN752  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2008)01—0091—02
      在医学中，理疗是常用的治疗方法。由于治疗过程中无痛苦、对某些疾病疗效显著，应用较广。研究表明，当以某个固定的频率作用于人体时，随着时间的推移人体会对此频率产生适应性，对此频率刺激的反应逐渐减弱，导致疗效的降低。所以理疗中刺激频率的变化有着重要意义，因此输出频率为随机频率就有效避免了人体的适应性，取得更好的治疗效果。
      对于中频理疗信号发生器的设计，传统的方法是采用单片机和数字电路实现，虽然控制灵活但设计复杂，集成度低，体积较大，只适合在医院等专业机构使用，极大地限制了电疗仪的普及。随着EDA技术的发展，在FPGA/CPLD芯片上实现中频理疗信号发生器成为可能。
1 基本原理
      在医学上，按输出频率的大小划分，大致可分为三种，分别为低频、中频和高频。此次设计产生的信号频率范围为1K～10KHz 之间，属于中频范围。常用于治疗各种软组织损伤、肩周
炎、关节痛、肌肉痛、神经痛以及胃下垂等。
      中频理疗信号发生器的产生主要分为两个模块，包括多路并行伪随机序列发生器模块和正弦信号发生器模块，图1为中频理疗信号发生器的原理框图。用多路并行伪随机序列控制NCO的频率控制字，从而产生一定范围内的随机正弦波。DA转换器用于正弦波的D/A转换，低通滤波器用于滤出正弦波中的杂散噪声信号，最后通过示波器观察中频理疗信号的波形。
1.1 伪随机序列发生器模块的实现
      虽然随机数具有一定的统计学规律，但它是抽样值不能事先确定的数［1］。实际中产生的随机数不是绝对随机数，是相对的，称为“伪随机数”。此设计采用m序列作为伪随机序列，m序列是一种最常用的伪随机序列，它是由带线性反馈的移位寄存器(Linear Feedback Shift Registers)产生的，并具有最长的周期。如图2 所示。
      其特征值多项式可表示为：f(x)=∑[DD(;M]n[]i=0[DD)]Cixi。
      根据以上条件可以算出一系列满足条件的系数，在此设计中使用：f(x)=1+x³+x²⁰；f(x)=1+x⁷+x¹⁸；f(x)=1+x³+x¹⁷；f(x)=1+x+x¹⁵；f(x)=1+x²+x¹¹；f(x)=1+x³+x¹⁰，相互独立的6路伪随机序列。利用DSP Builder构建随机序列有着设计简单，便于仿真调试的优点。部分原理图模型如图3所示，其中利用Z^-1、Z^-2、Z^-3、Z^-9、Z^-14、Z^-17等延时单元作为移位寄存器，用异或(XOR)完成模二运算，输出为Out。通过DSP Builder将其转化为VHDL语言，使之成为多路伪随机序列发生器模块。
      在Simulink中仿真其中一列f(x)=1+x³+x¹⁰序列的波形如图4所示，可以看出波形频率是随机变化的。
1.2 正弦信号发生器模块的实现
      采用NCO(Numerically Controlled Oscillators)作为正弦信号发生器表现了基于EDA技术特有的IP应用技术［2］。IP核，或称Megacore是Altera公司具有知识产权保护的megacore函数，只有在获得许可和购买的前提下才可以使用。基于Quartus II和DSP Builder的IP核有多种，如FIR数字滤波器，FFT离散信号快速傅立叶变换器，NCO数控振荡器 IP核等。本设计采用的NCO IP核，与LPM(library of parameterized modules)宏模块类似，用户可以设置其功能参数。此次设计中采用的NCO IP核模块如图5所示。
      其中phi_inc_i是频率控制字的输入，本设计中采用的累加器精度即位宽为20位。累加器的宽度决定采样点的数量从而决定了输出波形的频率分辨率。本设计中输出波形的频率分辨率为△f=f_min=f_c／2ⁿ，其中f_c为输入时钟频率，n为累加器的宽度。输出频率为f_o=f_c×M／2ⁿ，M为phi_inc_i的输入值。fsin_o是正弦波输出端口，其位宽是10位，即幅度精度为2¹⁰。clk是输入时钟；reset为复位键；clken是时钟使能；data_ready是输出同步信号，当有正弦信号输出时为高电平。NCO IP核在Quar-tus II和DSP Builder中均可以直接调用，本设计中在DSP Builder中使用并仿真，并将其转换为VHDL语言［3］。而NCO IP核在Simulink中仿真波形如图6所示。
2 中频理疗信号发生器的性能特点
      明显的随机特性。采用6路并行伪随机序列控制NCO累加器的控制字，使输出正弦信号的频率具有明显的随机特性，从而有效地避免了人体对固定频率的适应性。
3 软件实现
3.1 系统原理图
      根据以上讨论的各模块实现原理，利用Quartus II生成逻辑符号，并连接成图7所示的原理图。其中各模块实现的功能如下：m[CD#*3]out模块是伪随机序列发生器模块，分频模块和频率控制字模块的例化。利用分频模块将系统时钟分频，并作为伪随机序列发生器模块的输入时钟，频率控制字模块是将6路并行伪随机序列转换成位宽为20位的输出即dout［19..0］，与NCO的频率控制字输入位宽相匹配。nco_1模块是NCO模块、输出数据缓冲器模块和数据叠加器模块的例化。由于NCO输出的波形数据类型是有符号数据，为了便于仿真观察将其转化成无符号数据，故采用数据叠加器来叠加，使输出端fsin［9..0］为10位无符号数据。
3.2 仿真结果
      利用Quartus II提供的Simulator对上述原理图进行仿真得到的仿真结果图8所示。
      图8是仿真的完整波形，可以看出频率控制字dout的变化是随机的。由于正弦信号fsin的频率取决于dout的取值，故可知输出正弦信号fsin的频率变化也是随机的。
      为了更直观的观察波形，在Simulink中的仿真结果如图9所示。
4 结语
      根据仿真波形可以看出本设计满足中频理疗信号发生器的标准，通过示波器观察下载到FPGA后的输出波形平滑并且随机性良好。利用FPGA实现此设计使得该系统具有良好的兼容性，并且节省资源，成本较低。
［参考文献］
［1］ 张卫钢.通信原理与通信技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2003.
［2］ 潘松，黄继业.EDA技术与VHDL［M］.北京：清华大学出版社，2005.
［3］ 潘松，黄继业，曾毓.SOPC技术实用教程［M］.北京：清华大学出版社，2005.

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