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1 留学工作总结苏海冰中国科学院光电技术研究所一、工作概况我是 2012 年 10 月抵到圣迭戈加州大学( UCSD )计算机科学与工程系的 VLSI / CAD 实验室进行访问学习的。接待我的美方教授 Chung-Kuan Cheng 不但是一个具有深厚研究功底和工程经验的科学家和讲习教授,而且曾经作为 Mentor Graphic 的首席科学家领导过 EDA 平台的大项目工程实施。通过与美方研究组的交流沟通,对方也认为我们的嵌入式硬件并行处理平台研究已经达到一个较高的设计水平,尤其对高速数字设计、多单元阵列和多通道互联的高速数据处理、在 FPGA 内构造数据流处理机解决图像处理的邻域计算问题、通过多级硬件算法级联实现高密度运算的并行能力等方面给予了较高的评价,并表现出合作意。美方 Cheng 教授的主要研究方向是片上系统的高速互联、基于 RLC 分配网络的电源系统波动分析、编译系统的自适应数据路径算法性能估计与设计、大规模数字网络的信号完整性分析、基于延迟平衡估计和回路优化的综合布局布线方法等等,囊括了 IC 设计的各个设计方面和应用层次。另外由于 UCSD 在生物工程领域方面的优势,生物电子设备的研发也成为其关注的重点。我在 Cheng 教授领导的研究组所做的研究课题是“非接触生物信号传感系统中的噪声抑制技术”。传统的心电图(ECG ) 测试仪器在人体健康检测领域广泛使用,但这种接触性的测试设备由于需要涂抹胶质物去降低测试电极和人体皮肤之间的接触电阻以提高心电信号的质量,从而造成皮肤的刺激和不舒服;其多线的测试系统会增加额外的准备时间;并且当人体移动时也会造成多线电极的滑落和松动,影响测试的准确性。而非接触性 ECG 设备通过将电极嵌入/ 植入衣服,可以克服这些方面的问题;并且可以实现 24 小时的实时心电信号监测,在人体健康监护应用中有广泛的应用前景。在这个课题中,针对非接触性 ECG 一直未能在临床应用得到广泛使用的原因,提出了在同一个心电信号采样点同时进行数据采样的双通道结构,力图通过不同的输出结果重新恢复原始的心电信号,以消除人体移动等因素带来的噪声影响, 2 如下图所示。这种双通道结构是在同一个 PCB 板的底层上存在两个心电传感器,为了保证在信号测量上的一致性,必须使得两个传感器不受身体移动带来的 PCB 板旋转的影响,因此每个传感器被均匀地分成四片,交叉排列在 PCB 板的底层上。由于身体移动会造成电极(由一块电路底板构成)和人体皮肤构成的电容传感器 C in 发生变化,从而使得后面的前端放大结果不但包含了心电信号的变化,也包含了电容传感器的变化情况,不能准确表现人体心电信号的真实情况。同时,电极与衣物、皮肤等的摩擦也会产生的静电,这种静电的电压幅度会直接淹没真实的心电信号。消除这些技术难点是这个课题面临的挑战。我与 Cheng 教授研究组的其他人员一起分别对人体工频噪声、电容传感器、摩擦静电进行了建模分析,并通过 Matlab 、 Hspice 等工具对数学模型和算法性能进行了验证,之后在 Multisim 中完成了模型的电路映射和前端放大电路的信号仿真,得到了很好的仿真结果。最后在 EDA 软件 Dxdesigner 、 Expedition 和 Hyperlynx 中完成了电路原理图、 PCB 板布局布线的设计和仿真,得到了