طراحی و پیاده سازی یک میکروکنترلر عمومی برای ریز سیستم های مهندسی پزشکی- بخش 2 : هسته عملیاتی

آنچه در این پروژه انجام شد بخش هسته عملیاتی از یک کنترلر عمومی است که برای برآورده ساختن نیازهای عمومی ریز سیستم های قابل کاشت در بدن طراحی و پیاده سازی شده است. طراحی بخش عملیاتی در قالب دو هسته جداگانه به نام های، هسته عملیاتی داخلی و کمک پردازنده سیگنال بیولوژیکی خارجی صورت گرفت. هسته عملیاتی داخلی مسئول تولید پالس تحریک در سیستم های نیاز به تحریک خودکار بدون ارتباط دائمی با دنیای بیرون، نظیر سیستم های تحریک کلیه و سیستم های تحریک عمیق مغز (مانند بیماری پارکینسون) و تشخیص پتانسیل عمل در کاربردهای ثبت است. در بخش تحریک، این هسته می تواند برای 8 کانال پالس هایی با رزولوشن زمانی µs16 تولید کند. حداکثر طول پالس ها µs256 و فرکانس آنها بین khz 9/3 – hz 62 است. در بخش ثبت، هسته عملیاتی می تواند پتانسیل عمل را بر اساس آستانه مثبت، منفی و یا هر دو، به روش آستانه گذاری سخت برای 62 کانال با سطوح قابل تنظیم و نرخ نمونه برداری ksample/s 16 تشخیص دهد. کمک پردازنده سیگنال بیولوژیکی به منظور برآوردن نیازهای پردازشی در سیستم های قابل کاشت در بدن طراحی شده است. این هسته از سیگنال ورودی ویژگی هایی نظیر ضرایب موجک، بیشینه، کمینه، برخورد با سطوح و شیب تغییرات را استخراج می کند. این کمک پردازنده می تواند تا 32 کانال را با انواع مختلفی از موجک های مادر و حداکثر 3 سطح تجزیه پوشش دهد. ضرایب فیلتر موجک می توانند حداکثر تا 6 بیت کوانتیده شوند. حد اکثر کلاک مورد نیاز برای این واحد در کاملترین حالت موجک بر اساس نرخ نمونه برداری ksample/sec20 و 32 کانال برابر با mhz48/4 است. هسته های مطرح شده توسط زبان توصیف سخت افزار vhdl طراحی شد. از نرم افزار ise xilinx برای طراحی و شبیه سازی این دو بخش استفاده شد. توان مصرفی نیز در نرم افزار design compiler synopsys محاسبه گردید. توان مصرفی هسته عملیاتی در تکنولوژی standard n-well cmos µm 18/0 و پالس کلاک mhz2 در تحریک خودکار µw 290 و در حالت تشخیص اسپایک µw 250 است. توان مصرفی کمک پردازنده سیگنال بیولوژیکی معادل با µw 427 برای 32 کانال با موجک مادر daubechies3 و 2 سطح تجزیه در فرکانس کلاک mhz 84/3 است. از نرم افزار cadance soc encounter برای رسم جانمایی فیزیکی دو هسته بهره برده شد. فضای اشغالی هسته عملیاتی داخلی معادل با ?m 170 × ?m 170 و فضای اشغالی کمک پردازنده سیگنال بیولوژیکی برابر با ?m 615 × ?m 570 در تکنولوژی standard n-well cmos µm 18/0 است. پس از شبیه سازی برای بررسی صحت عملکرد طرح پیشنهادی، طرح بر روی قطعه xcs200 که از خانواده fpga های spartan ii متعلق به شرکت xilinx است، با موفقیت پیاده سازی و تست شد.