本研究项目核心在于生理参数采集传感器的选择、信号调理电路设计、电源模块设计以及高速通信接口设计等关键技术环节，为此，提出如下技术方案；整个研究过程的技术路线如下：
1、针对市场上现有生理参数测量仪产品的功能特点，以及当前人体生理参数测量的相关研究成果，针对嵌入式技术初步确定高精度多路人体生理参数测量系统实现方案；
2、对基于FPGA技术的高精度生理参数测量系统进行硬件开发，包括具体的测量数量（包括心率、皮肤电反应、胸/腹呼吸、血压、动作和环境温湿度）的确定，相关生理参数采集传感器的选择，并针对各传感器进行模拟微弱信号调理电路的设计，电源电路的设计，高速通信电路的设计等；
3、对基于嵌入式技术的高精度生理参数测量系统的软件设计和实现；
4、设计用于显示、存储数据的上位机软件，以及高精度生理参数测量系统硬件和上位机软件联合调试。

Project Proposal

1. High-level project introduction and performance expectation

设计目的：相关研究数据显示，经过专业培训的测谎技术人员借助现代化测谎仪器（多通道生理参数测量仪）和相关技术在测谎时，能短时间排除嫌疑人，提高侦破效率，缩短办案周期，降低人力、物力的消耗。本项目根据现有产品存在的问题从生理参数相关采集传感器的选型、并针对各种传感器进行模拟微弱信号调理电路的设计、电源电路的设计、通信电路的设计、软件设计等方面进行改进和优化；最终设计一款高精度的生理参数测量系统

应用范围：随着社会的发展，多通道生理参数测量仪在很多行业得到广泛应用。公安部门在刑事案件侦破中，对其越来越重视。许多疑案难案，借助现代化测谎仪器和相关技术都取得了突破。同时测谎技术还用于国家安全与防卫建设、特殊部门的人事筛选、研究机构的生理心理学研究、心理素质训练等很多领域

目标用户：公安检察、安全、部队、体育、医疗及各院校

英特尔新旗舰Agilex系列功能强大，具有以下多种优点，适合进行各种设计

1. 具有全新的芯片布局

  在芯片布局上做出了重要改变，简化了设计过程中的布局规划，消除了I/O单元对逻辑阵列带来的区隔，系统性能得到提升，极大简化时序计算并提升布局与放置的灵活性

2. ALM微架构的优化设计

  在微架构方面，对其中的ALM进行了设计优化，以进一步降低其传输延时

3. 重新设计的布线架构

  简化设计使得它的整体布线架构更加简洁，也减少了交换节点MUX的输入，从而在保证布线灵活性的基础上有效的降低容抗并提升性能

4. 新一代HyperFlex寄存器结构

  它把锁存器替换成了寄存器，并对驱动节点进行了重新设计。在布线网络中移除了近三分之二的Hyper-Register，这无论对于面积、功耗、或是设计工具的优化来说，都是极为有利的

5.多样的时序优化方法

  主要采用了三种时序优化方法：retiming、clock skewing和time borrowing

2. Block Diagram

3. Expected sustainability results, projected resource savings

1. 本项目中的心率采集部分以通过指夹式血氧探头作为生理信号采集传感器，通过测量血管内血液含氧量反应脉搏以及心率的信息，探头平均偏差和准确度分别-2.30%和 3.80%。
2. 测量气压所用的传感器其测量范围内输出电压为 0-4.7V。
3. 呼吸采集电路使用HKH-11B 呼吸波传感器，其电源为3.3V,功耗 1mA，输出幅度 0.2-1V
4. 环境温湿度采集使用的芯片支持的供电范围为：3.3-5.5V，通信模式为单总线串行数据

  本产品的实际性能经测量虽然无法达到设计时所想的标准参数，但与其相差几乎为零，基本上可以示为无误差，这得益于英特尔FPGA器件优越的性能。其采集端完美的收集到了需要的数据并将其完整无误的传输到了处理器中，处理器高效、准确的完成了数据的处理计算，最终高效的完成了工作。

4. Design Introduction

设计目的：

相关研究数据显示，经过专业培训的测谎技术人员借助现代化测谎仪器（多通道生理参数测量仪）和相关技术在测谎时，能短时间排除嫌疑人，提高侦破效率，缩短办案周期，降低人力、物力的消耗。本项目根据现有产品存在的问题从生理参数相关采集传感器的选型、并针对各种传感器进行模拟微弱信号调理电路的设计、电源电路的设计、通信电路的设计、软件设计等方面进行改进和优化；最终设计一款高精度的生理参数测量系统

应用范围：随着社会的发展，多通道生理参数测量仪在很多行业得到广泛应用。公安部门在刑事案件侦破中，对其越来越重视。许多疑案难案，借助现代化测谎仪器（多通道生理参数测量仪）和相关技术都取得了突破。同时测谎技术还用于国家安全与防卫建设、特殊部门的人事筛选、研究机构的生理心理学研究、心理素质训练等很多领域

目标用户：公安、检察、安全、部队、体育、医疗及各院校

使用英特尔芯片是因为，英特尔新旗舰Agilex系列功能强大，具有以下多种优点，适合进行各种设计

1. 具有全新的芯片布局

在芯片布局上做出了重要改变，简化了设计过程中的布局规划，消除了I/O单元对逻辑阵列带来的区隔，系统性能得到提升，极大简化时序计算，并提升布局与放置的灵活性

2. ALM微架构的优化设计

在微架构方面，对其中的ALM进行了设计优化，以进一步降低其传输延时

3. 重新设计的布线架构

简化设计使得它的整体布线架构更加简洁，也减少了交换节点MUX的输入，从而在保证布线灵活性的基础上，有效的降低容抗、并提升性能

4. 新一代HyperFlex寄存器结构

它把锁存器替换成了寄存器，并对驱动节点进行了重新设计。在布线网络中移除了近三分之二的Hyper-Register，这无论对于面积、功耗、或是设计工具的优化来说，都是极为有利的

5.多样的时序优化方法

主要采用了三种时序优化方法：retiming、clock skewing和time borrowing

5. Functional description and implementation

本项目以FPGA技术为基础进行高精度生理参数测量系统的设计。系统主要由生理参数采集和上位机软件两部分组成，其中生理参数采集包含生理学信号采集模块、信号调理电路、嵌入式处理器、环境温湿度采集模块以及USB转串口模块。系统主要通过提高生理参数采集硬件的精度和优化嵌入式采样控制算法，记录人体生理的微小变化，为后期的信息分析打下基础。本研究项目的顺利开展，依赖于以下几项关键问题的解决：

1、生理参数采集模块：与动作识别和表情识别等方式相比，伴随人体心理变化产生的一系列生理信号变化更客观和真实地反映人的心理变化。人的生理变化是受植物神经系统控制，一般不受人的主观意识控制，有的可以通过眼睛直观观察到，有的从表面观察不出来，但可以通过电子仪器测量出来。在人体的多种生理指标中，目前国内外多用于心理情感研究分析的生理信号包含脉搏信号、皮肤电反应、呼吸、血压和肌肉张力等。针对不同的生理信号，熟悉各自生理信号的参数含义以及工作原理，需要根据本系统生理信号采集精度的要求，选择适合本系统的生理参数采集传感器。

2、信号调理电路：针对不同生理信号采集传感器输出信号的特征，需要设计相应的信号处理电路，以此满足各自采集信号的精度要求。

3、电源模块：本系统中不仅包含模拟电路，而且包含数字电路，所以需要的电压也有所差异。解决系统不同电路所需要的电压是系统稳定可靠工作的前提。

4、高速通信模块：目前的生理参数测量设备使用RS232接口作为数据接口，由于这个接口硬件上的限制，最大通信速率一般小于100Kb/s，同时此种接口在个人计算机上已经消失等因素。针对本系统测量通过多，数据量大的特点，需要选择适合本系统的高速率通信接口

6. Performance metrics, performance to expectation

1. 本项目中的心率采集部分以通过指夹式血氧探头作为生理信号采集传感器，通过测量血管内血液含氧量反应脉搏以及心率的信息，探头平均偏差和准确度分别-2.30%和 3.80%。
2. 测量气压所用的传感器其测量范围内输出电压为 0-4.7V。
3. 呼吸采集电路使用HKH-11B 呼吸波传感器，其电源为3.3V,功耗 1mA，输出幅度 0.2-1V
4. 环境温湿度采集使用的芯片支持的供电范围为：3.3-5.5V，通信模式为单总线串行数据                                                                                                                                          本产品的实际性能经测量虽然无法达到设计时所想的标准参数，但与其相差几乎为零，基本上可以示为无误差，这得益于英特尔FPGA器件优越的性能。其采集端完美的收集到了需要的数据并将其完整无误的传输到了处理器中，处理器高效、准确的完成了数据的处理计算，最终高效的完成了工作。

本设计采用英特尔的新旗舰FPGA - Agilex系列，其在FPGA架构层面做出了诸多根本性的改变，相比Stratix10 FPGA取得了超过40%的性能提升。同时，它在设计的灵活性和稳定性等方面也取得了可观的提升。其具有以下多种好处：

1.具有全新的芯片布局。

Agilex在芯片布局上做出了多个重要改变，将原本位于芯片中间的很多通用I/O、存储器I/O、硬核处理器等部分移到了芯片两端，它能简化设计过程中的布局规划，特别是与I/O相关的布局。消除了I/O单元对逻辑阵列带来的区隔，系统性能会得到提升，也会极大简化时序计算，并提升布局与放置的灵活性。

2.ALM微架构的优化设计

在微架构方面，对其中的ALM进行了设计优化，以进一步降低其传输延时。除了ALM之外，Agilex还特别增加了片上内存MLAB的逻辑密度。与Stratix10相比，单位面积内Agilex有着双倍的MLAB密度，且50%的LAB可以配置成存储器模式。

3.重新设计的布线架构

在Agilex中，使用了基本同化的硬件资源，以及对应的布线方法，从而使得各个硬件资源的延时趋于近似。这样就简化了布局布线工具对资源分配的过程，从而提升了开发效率和系统性能。简化设计也使得它的整体布线架构更加简洁，也在很大程度上减少了交换节点MUX的输入，从而在保证布线灵活性的基础上，有效的降低容抗、并提升性能。

4.新一代HyperFlex寄存器结构

它把锁存器替换成了寄存器，并对驱动节点进行了重新设计。同时，Agilex在布线网络中移除了近三分之二的Hyper-Register，这无论对于面积、功耗、或是设计工具的优化来说，都是极为有利的。

5.多样的时序优化方法

主要采用了三种时序优化方法：retiming、clock skewing和time borrowing

7. Sustainability results, resource savings achieved

系统设计方案：

高精度生理参数测量系统主要分为两个部分：生理参数测量仪和上位机软件。 生理参数测量仪主要负责对所要测量的人体生理参数的采集，然后通过数据通信接口将采集的数据传送给上位机软件；上位机软件主要负责控制生理参数测量仪的测量过程，并通过电脑显示屏对测量数据显示，并把数据保存至硬盘中，提供后期的分析、回放。

硬件设计框图：

软件流程：

8. Conclusion