醫用 FPGA 開發 — 基於 Xilinx 和 VHDL

本書以FPGA高級開發系統為平臺，共安排17個實驗，其中前12個實驗為FPGA基礎實驗，後5個實驗為醫療電子專業實驗。所有實驗均詳細介紹了實驗內容、實驗原理，並且都有詳細的步驟和源代碼，以確保讀者能夠順利完成。每章的最後都安排了一個任務，作為本章實驗的延伸和拓展。本書中的程序均按照《VHDL語言程序設計規範》（LY-STD009—2019）編寫。所有實驗均基於模塊化設計，以便於將模塊應用在不同的項目和產品中。本書配有豐富的資料包，包括FPGA高級開發系統原理圖、例程、軟件包、硬件包，以及配套的PPT、視頻等。這些資料會持續更新，下載鏈接可通過微信公眾號“卓越工程師培養系列”獲取。本書既可以作為高等院校相關課程的教材，也可以作為FPGA系統設計及相關行業工程技術人員的參考書。

但果，博士，教授，博士生導師，醫學部生物醫學工程學院鵬城學者長期特聘教授，廣東省醫療電子儀器轉化工程技術研究中心主任，深圳市地方領軍人才。 2003年畢業於大連理工大學，獲得博士學位。 2003年底以博士後身份加入深圳安科高技術股份有限公司CT部。 2007年被深圳大學聘為信息工程學院電子工程系副教授。 2009年，任醫學部醫學院生物醫學工程系副教授，2015年晉升為醫學部生物醫學工程學院教授。醫學院生物醫學工程系副主任（2009-2012），醫學院生物醫學工程系主任（2013-2015），醫學部生物醫學工程學院副院長（2015-2018）。深圳市生物醫學工程學會秘書長（2015-）中國生物醫學工程學會生物信息與控制分會副理事長（2010-2015）、中國康復技術轉化及發展促進會智能康復技術專業委員會委員（2016-）。 ?主持完成多項有關醫療器械與康復工程的科研項目：國家自然科學基金2項、廣東省科技研發項目1項、深圳市科技攻關項目1項、深圳市基礎研究佈局項目2項、深圳市基礎研究項目3項；橫向課題20餘項。以第一作者和通訊作者發表論文30餘篇發表SCI、EI論文30餘篇，申請相關專利20餘項。馮博華，廣東藥科大學醫藥信息工程學院生物醫學工程系副系主任，廣東省醫藥3D打印機及個性化醫療工程技術研究中心主要負責人。 2009年畢業於暨南大學，獲得博士學位。 2009年進入廣東藥科大學生物醫學工程專業工作至今。現任生物醫學工程系副主任、廣東省生物醫學工程學會青年學術分會副主任委員、廣東省殘疾人康復協會康復工程專業委員會常務委員。以第一作者發表論文20餘篇，發表SCI、EI論文10餘篇，專利授權6項，主持或核心成員參加科研、教研課題10餘項，指導學生獲得電子設計競賽、全國生物醫學工程創新大賽等多項獎勵，指導專創融合社團。全面負責廣東省醫藥3D打印機及個性化醫療工程技術研究中心、廣東省一流專業建設點、校級思政示範專業等項目和平台工作。

第1章 FPGA和開發環境 1
1．1 FPGA基礎概念 1
1．1．1 什麼是FPGA 1
1．1．2 FPGA的基本結構 2
1．1．3 FPGA與ASIC之間的關係 3
1．1．4 FPGA、CPU與DSP之間的關係 3
1．1．5 VHDL與Verilog HDL 4
1．1．6 Xilinx與Altera 5
1．2 FPGA開發流程 6
1．3 XC6SLX16芯片介紹 7
1．3．1 Spartan-6系列介紹 7
1．3．2 XC6SLX16-2CSG324C芯片介紹 7
1．3．3 FPGA速度等級 8
1．3．4 FPGA可用I/O數量 8
1．3．5 FPGA邏輯單元 8
1．3．6 Spartan-6 FPGA配置 8
1．4 FPGA開發工具安裝和配置 9
1．4．1 ISE 9
1．4．2 安裝ISE 14．7 9
1．4．3 Synplify 14
1．4．4 安裝Synplify 14
1．4．5 安裝Xilinx USB Cable驅動程序 17
1．5 VHDL語法基礎 19
1．5．1 庫聲明 19
1．5．2 實體 19
1．5．3 結構體 19
1．5．4 數據類型 20
1．5．5 常量定義 20
1．5．6 變量定義 21
1．5．7 信號 21
1．5．8 元件 21
1．5．9 直接賦值語句 22
1．5．10 process語句 22
1．5．11 when． ． ． else語句 23
1．5．12 if． ． ． else語句 23
1．5．13 case語句 24
1．5．14 運算符 24
1．6 FPGA高級開發系統簡介 26
1．7 FPGA高級開發系統可以開展的部分實驗 28
1．8 本書配套的資料包 28
本章任務 28
本章習題 29
第2章 分頻器實驗 30
2．1 實驗內容 30
2．2 實驗原理 30
2．2．1 分頻器LED電路原理圖 30
2．2．2 時鐘分頻原理 30
2．2．3 分頻器模塊內部電路圖 31
2．3 實驗步驟 32
本章任務 54
本章習題 54
第3章 流水燈實驗 56
3．1 實驗內容 56
3．2 實驗原理 56
3．2．1 流水燈實驗LED電路原理圖 56
3．2．2 流水燈工作原理 56
3．2．3 流水燈模塊內部電路圖 57
3．3 實驗步驟 58
本章任務 62
本章習題 63
第4章 獨立按鍵去抖實驗 64
4．1 實驗內容 64
4．2 實驗原理 64
4．2．1 獨立按鍵電路原理圖 64
4．2．2 按鍵去抖原理 64
4．2．3 狀態機工作原理 65
4．2．4 獨立按鍵去抖處理狀態機 66
4．2．5 獨立按鍵去抖實驗內部電路圖 67
4．3 實驗步驟 68
本章任務 74
本章習題 74
第5章 七段數碼管顯示實驗 75
5．1 實驗內容 75
5．2 實驗原理 75
5．2．1 七段數碼管 75
5．2．2 七段數碼管顯示模塊電路原理圖 77
5．2．3 七段數碼管顯示原理 77
5．2．4 七段數碼管顯示實驗內部電路圖 79
5．3 實驗步驟 80
本章任務 85
本章習題 85
第6章 矩陣鍵盤掃描實驗 86
6．1 實驗內容 86
6．2 實驗原理 86
6．2．1 矩陣鍵盤掃描原理 87
6．2．2 雙寄存器邊沿檢測電路 89
6．2．3 矩陣鍵盤掃描實驗內部電路圖 90
6．3 實驗步驟 94
本章任務 102
本章習題 102
第7章 OLED顯示實驗 103
7．1 實驗內容 103
7．2 實驗原理 103
7．2．1 OLED顯示模塊 103
7．2．2 SSD1306的顯存 104
7．2．3 SSD1306常用命令 106
7．2．4 字模選項 106
7．2．5 ASCII碼表與取模工具 107
7．2．6 OLED顯示模塊顯示流程 108
7．3 實驗步驟 108
本章任務 116
本章習題 116
第8章 串口通信實驗 117
8．1 實驗內容 117
8．2 實驗原理 117
8．2．1 UART電路原理圖 117
8．2．2 UART通信協議 118
8．2．3 串口通信實驗狀態機 120
8．2．4 串口通信實驗內部電路圖 122
8．3 實驗步驟 124
本章任務 140
本章習題 140
第9章 讀寫外部EEPROM實驗 141
9．1 實驗內容 141
9．2 實驗原理 141
9．2．1 EEPROM電路原理圖 141
9．2．2 I2C協議 141
9．2．3 I2C器件地址 143
9．2．4 AT24C02芯片 144
9．2．5 AT24C02芯片及其讀寫時序 145
9．2．6 讀寫外部EEPROM實驗狀態機 146
9．2．7 讀寫外部EEPROM實驗內部電路圖 148
9．3 實驗步驟 150
本章任務 160
本章習題 160
第10章 讀寫外部Flash實驗 161
10．1 實驗內容 161
10．2 實驗原理 161
10．2．1 SPI Flash電路原理圖 161
10．2．2 SPI協議 162
10．2．3 W25Q128芯片 162
10．2．4 SPI通信模式 163
10．2．5 讀寫外部Flash實驗狀態機 165
10．2．6 讀寫外部Flash實驗內部電路圖 167
10．3 實驗步驟 169
本章任務 177
本章習題 178
第11章 SHT20溫/濕度測量實驗 179
11．1 實驗內容 179
11．2 實驗原理 179
11．2．1 SHT20溫/濕度電路原理圖 179
11．2．2 SHT20 傳感器 179
11．2．3 SHT20傳感器通信 180
11．2．4 SHT20信號轉換 182
11．2．5 SHT20溫/濕度測量實驗內部電路圖 183
11．3 實驗步驟 183
本章任務 193
本章習題 193
第12章 DAC實驗 194
12．1 實驗內容 194
12．2 實驗原理 194
12．2．1 AD/DA轉換電路原理圖 194
12．2．2 AD9708芯片 194
12．2．3 PCT通信協議 198
12．2．4 DAC實驗內部電路圖 203
12．3 實驗步驟 206
本章任務 215
本章習題 215
第13章 ADC實驗 216
13．1 實驗內容 216
13．2 實驗原理 216
13．2．1 AD/DA轉換電路原理圖 216
13．2．2 AD9280芯片 218
13．2．3 ADC實驗內部電路圖 220
13．3 實驗步驟 222
本章任務 227
本章習題 227
第14章 體溫測量與顯示實驗 228
14．1 實驗內容 228
14．2 實驗原理 228
14．2．1 體溫數據包的PCT通信協議 228
14．2．2 體溫測量與顯示實驗內部電路圖 229
14．3 實驗步驟 232
本章任務 235
本章習題 236
第15章 呼吸監測與顯示實驗 237
15．1 實驗內容 237
15．2 實驗原理 237
15．2．1 呼吸數據包的PCT通信協議 237
15．2．2 呼吸監測與顯示實驗內部電路圖 238
15．3 實驗步驟 238
本章任務 242
本章習題 242
第16章 心電監測與顯示實驗 243
16．1 實驗內容 243
16．2 實驗原理 244
16．2．1 心電數據包的PCT通信協議 244
16．2．2 心電監測與顯示實驗內部電路圖 244
16．3 實驗步驟 245
本章任務 251
本章習題 251
第17章 血氧監測與顯示實驗 252
17．1 實驗內容 252
17．2 實驗原理 253
17．2．1 血氧數據包的PCT通信協議 253
17．2．2 血氧監測與顯示實驗內部電路圖 253
17．3 實驗步驟 253
本章任務 259
本章習題 259
第18章 血壓測量與顯示實驗 260
18．1 實驗內容 260
18．2 實驗原理 261
18．2．1 血壓數據包的PCT通信協議 261
18．2．2 血壓測量與顯示實驗內部電路圖 261
18．3 實驗步驟 264
本章任務 271
本章習題 272
附錄A FPGA開發常用模塊引腳約束 273
附錄B 人體生理參數監測系統使用說明 276
附錄C 《VHDL語言程序設計規範》
（LY-STD009―2019）簡介 279
C． 1 排版 279
C． 2 註釋 280
C． 3 命名 280
C． 4 編碼規範 281
C． 5 VHDL文件模板 282
C． 6 UCF文件模板 285
附錄D ASCII碼表 286
參考文獻 287