Системаи рӯи кристалл (System-on-Chip, SoC) бар асоси PicoRV32, як системаи рақамии коркарди биосигнал аст, ки ядрои протсессории 32-битии RV32I RISC-V ва суръатбахши махсуси сахтафзориро, ки бидуни зарбкунанда барои ҷудо кардани қуллаи R ва нишонаҳои аномалияи морфологӣ дар сигнали электрокардиограмма (ECG) тарҳрезӣ шудааст, дар як кристалли CMOS муттаҳид мекунад. Суръатбахши таҳқиқот ядрои собити сена намунаии K = [−1, 2, −1] Лапласи дискретӣ ва муқоисагари остонаи барномарезишавандаро истифода мебарад. Азбаски коэффисиентҳои ядро танҳо −1 ва 2 мебошанд, зарбкунандаҳои сахтафзории умумӣ хориҷ шудаанд; ҳисоббарорӣ ба гирифтани манфӣ дар пуркунандаи дуӣ, як бит ба чап ҷобаҷогузорӣ ва ҷамъкунӣ табдил дода шудааст.

Система танҳо дар сатҳи RTL ё симулятсия боқӣ намондааст. Аввал бо эталони нармафзорӣ ва прототипи FPGA санҷида шуда, сипас дар раванди тиҷоратии 180 nm CMOS аз ҷиҳати физикӣ тарҳрезӣ ва tape-out шуда, дар бастаи QFP-160 дар кремнийи воқеӣ бо PCB-и махсус санҷида шудааст. Масоҳати фаъоли ядрои кристалл 0,936 mm², шумораи standard-cell 9373 ва зичии ҷойгиркунӣ %75,2 мебошад. Ҳадаф 100 MHz буд; дар таҳлили post-route RC timing closure-и 101 MHz ба даст омада, кремнийи воқеӣ дар 100 MHz кор карда шудааст.

Дар панҷ сабти интихобшуда аз MIT-BIH Arrhythmia Database дар маҷмӯъ 10.393 зарб арзёбӣ шудааст. Кристалли истеҳсолшуда 9965 тои онҳоро дуруст тасниф намуда, ба %95,88 дақиқии Normal/Abnormal расидааст. Дар ҳамон маълумот эталони нармафзории floating-point дақиқии %95,94 додааст; байни кремний ва нармафзор ҳамагӣ шаш зарб, яъне 0,06 банди фоизӣ фарқ мушоҳида шудааст.

Аммо ин арзиши %95,88 дақиқии байнибеморӣ барои аҳолии умумӣ ё беморони қаблан нодидашуда нест. Барои ҳар як сабти MIT-BIH остона мувофиқи нишонаҳои худи ҳамон бемор/сабт калибр карда шудааст. Илова бар ин, манбаъ фарз мекунад, ки сигнали вурудии ECG аз коркарди пешакии стандартӣ гузаштааст. Аз ин рӯ, таҳқиқот набояд ҳамчун валидатсияи клиникии дастгоҳи тиббии пӯшиданӣ ва анҷомёфтае шарҳ дода шавад, ки дар ECG-и хом ва пурғавғо ташхиси мустақили клиникӣ мегузорад.

Қувваи фаъоли ченшуда дар таъминоти ядрои 1,8 V ва 100 MHz 25,2 mW мебошад. Дар ҳолати хоби амиқ ҷараёни ихроҷи ченшуда дар 1,0 V 44 nA, қувваи мувофиқ бошад 44 nW мебошад. Вақти 7,1 ms-и сар-то-сар барои равзанаи коркарди 400 намуна ва қувваи фаъоли 25,2 mW якҷо арзёбӣ шуда, манбаъ тақрибан 178,9 µJ энергияи фаъоли коркард ҳисоб мекунад.

Масъалаи асосии таҳқиқот чист?

Системаҳои пӯшидании ECG бояд ритми дилро муддати дароз назорат кунанд. Дар ин системаҳо комплекси QRS ва махсусан қуллаи R нисбат ба дигар ҷузъҳои ECG тағйироти замонии тезтар ва амплитудаи баландтар нишон медиҳанд, бинобар ин барои сегментатсияи зарб ва муайян кардани аномалияи морфологӣ нуқтаи муҳими аломатӣ мебошанд.

Бо вуҷуди ин, CNN-ҳои мураккаб ё муҳаррикҳои умумии multiply-accumulate (MAC), ки дар дастгоҳи пӯшиданӣ пайваста кор мекунанд, масоҳати кремний, қувваи динамикӣ, дастрасӣ ба хотира ва даврҳои протсессорро истеъмол мекунанд. Дар микроконтроллери умумӣ, ки танҳо нармафзор истифода мекунад, ҳамон амалиёти такрории филтркунӣ метавонад CPU-ро пайваста фаъол нигоҳ дорад ва энергияи instruction-fetch-ро зиёд кунад.

Равиши таҳқиқот ин аст, ки идоракунии система, алоқа ва ҷараёни барнома ба ядрои хурди RISC-V вогузор шуда, ҷудокунии такрории хусусияти ECG ба суръатбахши хеле хурди сахтафзории дорои функсияи собит гузаронида шавад.

Чаро дар ECG комплекси QRS ва қуллаи R интихоб шуданд?

Даври стандартии ECG аз мавҷи P, комплекси QRS, мавҷи T ва дар баъзе ҳолатҳо мавҷи U иборат аст. Комплекси QRS тағйироти босуръатеро дар бар мегирад, ки ҳангоми деполяризатсияи меъдачаҳо ба вуҷуд меоянд. Махсусан дар атрофи қуллаи R нишебии сигнал байни намунаҳо баланд аст.

Ин хусусият имкон медиҳад, ки амалиёти баландгузари монанд ба ҳосилаи якум ё дуюм минтақаи QRS-ро нисбат ба дрейфи хатти асосии басомади паст ва ҷузъҳои сусттари P/T қавитар таъкид кунанд.

Чаро Ядрои Собити Лапласи [−1, 2, −1] Қуллаи R-ро Таъкид Мекунад?

Ядрои K = [−1, 2, −1] фарқи дуюми дискретии се намунаи пайдарпайи ECG-ро ҳисоб мекунад; дар сигналҳои сусттағйирёбанда ё собит намунаҳои ҳамсоя ба ҳам наздиканд, бинобар ин баромад хурд мешавад, аммо дар тағйироти тези замонӣ, ба монанди қуллаи R, фарқи намунаи миёна нисбат ба ҳамсояҳояш калон шуда, баромади филтр меафзояд. Таҳлили басомадии манбаъ низ рафтори баландгузари филтрро нишон медиҳад, ки дар DC сифр ва дар басомади баланд бузургии бештар медиҳад.

Муодила (1): Ядрои собити филтр

Дар манбаъ ядрои асосии сахтафзори махсус:

\[ K=[-1,\;2,\;-1] \tag{1} \]

чунин дода шудааст.

Ин се коэффисиент маҷмӯи вазнҳои trainable-и CNN нестанд. Онҳо ядрои сета tap-и FIR/Лаплас мебошанд, ки аз ҷониби манбаъ мустақиман дар сахтафзор собит карда шудаанд.

Коэффисиенти −1 зарбкунандаи сахтафзорӣ талаб намекунад; он бо гирифтани манфӣ дар пуркунандаи дуӣ татбиқ мешавад. Коэффисиенти 2 низ ба ҷои зарбкунандаи умумӣ бо як бит ба чап ҷобаҷогузорӣ татбиқ мешавад. Ин интихоби оддии коэффисиентҳо тамоми меъмории суръатбахшро муайян мекунад.

Муодила (2): Лапласи дискретии сена намуна

Арзише, ки суръатбахш дар ҳар равзанаи лағжанда ҳисоб мекунад:

\[ y[n]=-x[n-1]+2x[n]-x[n+1] \tag{2} \]

чунин аст.

Дар ин ҷо:

• x[n−1]: намунаи пешини ECG,
• x[n]: намунаи марказии ECG,
• x[n+1]: намунаи баъдии ECG,
• y[n]: баромади хусусияти Лаплас мебошад.

Агар дар сигнали собит ё хеле сусттағйирёбанда се арзиши ҳамсоя ба ҳам наздик бошанд, −x[n−1] + 2x[n] − x[n+1] тақрибан ба сифр наздик мешавад. Вақте намунаи миёна аз ҳамсояҳояш ба таври равшан фарқ мекунад, натиҷа калон мешавад. Аз ин рӯ, ифода ба минтақаҳои каҷии баланд/тезии ECG ҳассос аст.

Муодила (3): Қарори остонаи барномарезишаванда

Сипас баромади Лаплас бо остонаи барномарезишавандаи T муқоиса мешавад:

\[ result[n]= \begin{cases} 0, & y[n] < T \\ 1, & y[n] \geq T \end{cases} \tag{3} \]

Натиҷа танҳо як бит аст. 0 нишон медиҳад, ки остона гузаронида нашудааст; 1 нишон медиҳад, ки хусусияти Лаплас ба остонаи барномарезишуда баробар ё аз он бузургтар аст.

Дар ин ҷо як маҳдудияти муҳим ҳаст: алгоритм таснифгари мураккаби бисёрсинфии аритмия нест. Он системаи қарори дуӣ мебошад, ки як хусусияти собити баландгузарро бо як муқоисаи остона муттаҳид мекунад.

Муодила (4): z-трансформатсияи филтр

Манбаъ z-трансформатсияи филтри симметрии сета tap-и FIR-ро:

\[ H(z)=-z+2-z^{-1} = 2-(z+z^{-1}) \tag{4} \]

чунин медиҳад.

Ин муаррифӣ имкон медиҳад, ки филтр на танҳо ҳамчун се амали арифметикӣ, балки ҳамчун системаи хаттии вақти дискретӣ низ таҳлил шавад.

Муодила (5): Ҷавоби басомадӣ

Дар доираи воҳидӣ ҳангоми навиштани \(z=e^{j\omega}\):

\[ H(e^{j\omega}) = 2-2\cos\omega = 4\sin^2(\omega/2) \tag{5} \]

ба даст меояд.

Ифода бузургии ҳақиқӣ ва ғайриманфӣ аст. Барои \(\omega=0\):

\[ H(e^{j0})=0 \]

мешавад. Пас ҷузъи DC пахш мешавад.

Дар басомадҳои паст, азбаски \(\sin(\omega/2)\approx\omega/2\):

\[ H(e^{j\omega})\approx\omega^2 \]

тақриб ба вуҷуд меояд. Манбаъ инро бо пахши қавии ҷузъҳои басомади хеле паст, ба мисли дрейфи хатти асосӣ, нисбат ба банди ҳадафии QRS алоқаманд мекунад.

Ҳангоми афзоиши \(\omega\) аз сифр ба самти басомади Nyquist ифода монотонӣ зиёд шуда, дар нуқтаи \(\omega=\pi\) бузургии интиқол ба 4 мерасад. Матни манбаъ ин нуқтаро “maximum power gain of 4” меномад; Verianla ин ифодаро ба ҳисоби беруназманбаъии квадрати қувва табдил надода, Муодилаи (5)-и нишон додашударо айнан асос гирифтааст.

Фарқи тақрибан 40 dB байни 1 Hz ва 10 Hz аз куҷо меояд?

Сабтҳои MIT-BIH басомади намунагирии 360 Hz доранд. Манбаъ бо истифода аз Муодилаи (5) барои 1 Hz:

\[ |H(e^{j\omega})|_{1Hz} \approx 3.05\times10^{-4} \]

ва барои 10 Hz:

\[ |H(e^{j\omega})|_{10Hz} \approx 3.04\times10^{-2} \]

арзишҳоро медиҳад.

Таносуби тақрибан 100-каратаи байни ин ду бузургӣ ҳангоми арзёбии таносуби амплитуда бо dB тақрибан 40 dB фарқ месозад. Манбаъ инро ҳамчун нишондиҳандаи математикии таъкиди қавии банди энергияи QRS нисбат ба ҷузъҳои хатти асосӣ дар атрофи 1 Hz истифода мебарад.

Муодила (6): Афзоиши бит дар бадтарин ҳолат барои вуруди N-bit

Қабул карда мешавад, ки ҳар намунаи ECG адади бутуни ишорадор дар пуркунандаи дуии N-bit аст:

\[ x[n]\in[-2^{N-1},\;2^{N-1}-1] \]

Нормаи L1-и ядро:

\[ ||K||_1=|-1|+|2|+|-1|=4 \]

аст, бинобар ин манбаъ арзиши мутлақи баромадро:

\[ |y[n]| \leq ||K||_1\max_n|x[n]| \leq 4\times2^{N-1} = 2^{N+1} \tag{6} \]

маҳдуд мекунад.

Ин ҳисоб шарҳ медиҳад, ки чаро паҳнои роҳи додаҳои арифметикӣ бо паҳнои вуруд яксон нигоҳ дошта нашудааст. Тарҳ ҳар намунаи N-bit-ро пеш аз коркард ба N+2 бит васеъкунии ишора мекунад. Ҳамин тавр хавфи overflow ҳангоми гирифтани манфӣ, як бит ба чап ҷобаҷогузорӣ ва ҷамъ кардани се ҳад кам мешавад ва манбаъ мегӯяд, ки барои пайдарпайиҳои вурудии дуруст ҳисобкунии bit-exact анҷом дода мешавад.

Гирифтани манфӣ дар пуркунандаи дуӣ чӣ гуна татбиқ мешавад?

Дар пуркунандаи дуӣ манфии адад бо баръакс кардани битҳо ва илова кардани 1 ба даст меояд:

\[ -x=\overline{x}+1 \]

Манбаъ мегӯяд, ки азбаски вуруди N-bit аввал ба N+2 бит васеъ карда мешавад, дар диапазони дурусти вуруд ҳангоми гирифтани манфӣ ба арзиши ҳадди ақали ифоданашаванда расида намешавад.

Чаро зарб ба 2 зарбкунандаи воқеӣ талаб намекунад?

Дар муаррифии адади бутуни дуӣ, зарб ба 2 метавонад бо як бит ҷобаҷогузории арифметикӣ ба чап иҷро шавад:

\[ 2x[n]=x[n]\ll1 \]

Аз ин рӯ, барои коэффисиенти 2 ҳуҷайраи multiplier истифода намешавад; амал асосан бо симгузорӣ ва ҷойгиркунии бит анҷом дода мешавад.

Чаро PicoRV32 интихоб шудааст?

PicoRV32 ядрои протсессории 32 bit RISC-V аст, ки масоҳати хурди кремнийро ҳадаф мегирад. Манбаъ арзиши миёнаи CPI-ро тақрибан 4 нишон медиҳад. Меъморӣ ба ҷои протоколҳои мураккаби bus аз native memory interface-и оддӣ истифода мекунад.

Дар ин таҳқиқот протсессор танҳо бо конфигуратсияи асосии RV32I истифода шудааст. Hardware multiply/divide M-extension ва Pico Co-Processor Interface (PCPI) ғайрифаъол шудаанд. Ҳамин тавр, дар тарафи CPU-и система низ зарбкунандаҳои калони бисёрбитии сахтафзорӣ истифода нашудаанд.

Роҳи додаи MMIO чӣ гуна кор мекунад?

Дар native memory interface-и PicoRV32 шаш сигнали асосӣ истифода мешавад:

• mem_valid,
• mem_ready,
• mem_addr,
• mem_wdata,
• mem_wstrb,
• mem_rdata.

Протсессор ҳангоми оғоз кардани хондан ё навиштан сигнали mem_valid ва суроғаи ҳадафро тавлид мекунад. Воҳиди периферии дахлдор пас аз анҷоми амал сигнали mem_ready-ро боло мебарад.

Хусусияти муҳими ин тарҳ он аст, ки барои суръатбахш фармони махсуси нави RISC-V илова нашудааст. Суръатбахш бо фармонҳои стандартии LW ва SW ҳамчун периферияи маъмулии хариташудаи хотира идора мешавад.

Дар харитаи хотираи манбаъ номи блоки суръатбахш ECG_CNN_ACC омадааст. Бо вуҷуди ин, функсияи математикии ин мақола CNN-и омӯзишшаванда нест; манбаъ суръатбахшро ҳамчун филтри собити сета tap-и FIR/Лаплас муайян мекунад.

Регистрҳои худи суръатбахш

Firmware аввал остонаи T-ро барномарезӣ мекунад, сипас се намунаи равзанаи лағжандаро ба регистрҳо менависад ва регистри RESULT-ро мехонад.

Фарқи байни суръатбахши якдавраӣ ва амалиёти дудавраии MMIO

Дар манбаъ роҳи додаи арифметикии суръатбахш ба таври комбинасионӣ барои тавлиди натиҷа дар як даври соат тарҳрезӣ шудааст. Аммо интерфейси MMIO барои кафолати timing closure як wait-state илова мекунад.

Регистри дохилии pending сигнали acc_ready/mem_ready-ро маҳз як давр пас аз баланд шудани mem_valid тавлид мекунад. Аз ин рӯ амалиёти MMIO барои навиштани sample ё хондани feature ду даври соат мегирад.

Пас “single-cycle arithmetic” ва “two-cycle memory transaction” таъхирҳои сатҳҳои гуногунанд ва ба ҳам зид нестанд.

Чӣ Гуна Суръатбахши Бидуни Зарбкунанда Мураккабии Сахтафзорро то O(N) Паст Мекунад?

Филтри умумии сета tap-и MAC барои коэффисиентҳои барномарезишаванда зарбкунандаҳои N×N bit талаб мекунад ва ҳар зарбкунанда тақрибан O(N²) мураккабии дарвоза дорад; дар ин таҳқиқот коэффисиентҳои собити −1 ва 2 танҳо бо гирифтани манфӣ ва ҷобаҷогузории симии бит татбиқ мешаванд. Дар натиҷа мантиқи ҷамъкунанда ва гирифтани манфӣ боқӣ мемонад, ки бо N хаттӣ меафзояд, аз ин рӯ манбаъ роҳи пешниҳодшудаи филтрро тақрибан бо O(4N) FAE ифода мекунад.

Full-Adder Equivalent чӣ маъно дорад?

Манбаъ барои муқоисаи мураккабии сахтафзор новобаста аз раванд аз мафҳуми Full-Adder Equivalent (FAE) истифода мекунад. Мақсад ҳисоб кардани шумораи воқеии транзисторҳо як ба як нест, балки муқоисаи он аст, ки шумораи ҳуҷайраҳои асосии комбинасионӣ, ки сохторҳои арифметикии гуногун талаб мекунанд, бо N чӣ гуна миқёс мегирад.

Барои standard N×N signed array multiplier тақрибан O(N²) FAE лозим аст. Дар сохтори анъанавии сета tap-и MAC се зарбкунанда ва ду ҷамъкунанда ҳастанд, бинобар ин манбаъ тақрибан:

\[ O(3N^2+2N) \]

мураккабиро истифода мебарад.

Дар ядрои собити пешниҳодшуда бошад:

• 3 зарбкунандаи N×N → 0,
• 1 ҷобаҷогузории бит → симгузорӣ, O(1),
• 2 гирифтани манфӣ → O(N),
• 2 ҷамъкунандаи N-bit → O(N)

аст, бинобар ин тақрибан:

\[ O(4N) \]

мураккабӣ ба даст меояд.

Барои паҳноҳои 12–16 bit ADC-и биотиббӣ манбаъ мегӯяд, ки як signed array multiplier тақрибан 144–256 FAE, аммо тамоми роҳи пешниҳодшудаи ҷудокунии хусусият тақрибан 48–64 FAE талаб мекунад.

Аз ин бармеояд, ки дар марҳилаи филтркунӣ коҳиши тахминии масоҳати дарвозаҳои комбинасионӣ тақрибан 3×–4× аст. Ин рақам таносубе нест, ки мустақиман аз микрографи кремнийи масоҳати ҷудошудаи физикии multiplier чен карда шудааст; он баҳодиҳии мураккабии меъморӣ дар асоси FAE мебошад.

Тақсимоти кори нармафзор–сахтафзор

Ядрои RISC-V идоракунии система, алоқаи UART, дастрасӣ ба хотира, барномарезии остона ва ирсоли натиҷаҳоро ба host идора мекунад. Суръатбахш бошад филтри сена намуна ва қарори остонаро иҷро мекунад.

Ин тақсимот байни ҳисобкунии пайвастаи филтр танҳо дар CPU ва сохтани ASIC-и комилан дорои функсияи собит нуқтаи миёна аст: ҷараёни барнома бо нармафзор тағйир меёбад, арифметикаи такрорӣ бошад ба сахтафзори махсус гузаронида шудааст.

Раванди Boot

Пас аз Reset PicoRV32 аз bootloader ROM-и 512 байтӣ оғоз мекунад. Bootloader генератори UART baud-rate-ро дар соати номиналии системаи 100 MHz барои 115.200 baud конфигуратсия мекунад ва синхронизатсияи host-ро интизор мешавад.

Вақте application binary аз host меояд, код ба 4 kB SRAM навишта шуда, checksum санҷида мешавад ва иҷро ба суроғаи асосии SRAM интиқол меёбад.

Тасвири bare-metal firmware, ки ҳангоми post-silicon test истифода шудааст, 460 байт, яъне 115 адад 32 bit word мебошад.

Маҷмӯи додаи MIT-BIH чӣ гуна истифода шуд?

MIT-BIH Arrhythmia Database дар маҷмӯъ 48 сабти амбулатории нимсоатаи ECG дорад ва дар 360 Hz намунагирӣ шудааст. Аммо ин таҳқиқот ҳамаи 48 сабтро истифода накардааст.

Барои арзёбӣ панҷ сабт интихоб шудааст:

Синфҳои Normal ва Anormal чӣ гуна сохта шуданд?

Манбаъ мувофиқи равиши AAMI EC57 рамзҳои MIT-BIH beat annotation-ро ба синфҳои дуӣ мувофиқ кардааст.

Дигар навъҳои beat аз арзёбӣ хориҷ шудаанд.

Равзанаи истифодашуда барои ҳар зарб

Ҳар beat-и дуруст нисбат ба қуллаи R, ки кардиолог ишора кардааст, ба равзанаи 144 намуна ҷудо шудааст. Равзана:

• 250 ms пеш аз қуллаи R,
• 150 ms пас аз қуллаи R

буда, дар маҷмӯъ минтақаи 400 ms-ро фаро мегирад. Дар басомади намунагирии 360 Hz ин вақт ба 144 намуна мувофиқ аст.

Самаранокии таснифи эталони нармафзорӣ

Precision, нишон медиҳад, ки чанд қисми намунаҳои ҳамчун як синф нишондодашуда воқеан ба ҳамон синф тааллуқ доранд; recall, нишон медиҳад, ки чанд қисми намунаҳои воқеии синф ошкор шудаанд; F1-score бошад тавозуни precision ва recall-ро ифода мекунад.

Азбаски манбаъ формулаҳои математикии ин метрикаҳоро алоҳида надодааст, Verianla дар ин ҷо муодилаи рақамгузоришудаи берун аз манбаъ илова накардааст.

Матритсаи хатои эталони нармафзорӣ

Ҳолати асосии хато аз даст рафтани beat-и anormal ҳамчун Normal аст. %6,3 beat-ҳои Anormal аз даст рафта, %2,5 beat-ҳои Normal нодуруст ҳамчун аномалия нишона шудаанд.

Манбаъ инро бо қобилияти маҳдуди фарқгузории як хусусияти собити баландгузар + як қарори остона алоқаманд мекунад.

Чаро Дақиқии %95,88 Кремний Умумисозии Байнибеморӣ Нест?

Зеро дар арзёбӣ барои ҳар сабти MIT-BIH остонаи қарор бо истифода аз нишонаҳои худи ҳамон бемор алоҳида калибр карда шудааст; аз ин рӯ натиҷаҳо на нишондиҳандаи бо остонаи собит ба бемори нави номаълум мустақиман умумисозишуда, балки нишондиҳандаи дуии Normal/Abnormal пас аз калибркунии махсуси бемор/сабтро чен мекунанд.

Манбаъ истифода шудани калибркунии остонаи махсуси беморро ошкоро мегӯяд, аммо дар ин PDF арзишҳои дақиқи рақамии остонаи T ё қоидаи оптимизатсионии интихоб барои ҳар сабтро муфассал намедиҳад. Ин маълумот аз ҷониби Verianla тахмин нашудааст.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Занҷири чорзинагии санҷиш

Таҳқиқот ба як натиҷаи симулятсия такя намекунад. Санҷиш чорзинагӣ аст:

1. санҷиши таснифи software golden-model дар MIT-BIH,
2. прототипсозии Artix-7 FPGA ва санҷиши кори якҷояи hardware/software,
3. амалисозии физикии 180 nm CMOS RTL→GDSII ва tape-out,
4. ченкуниҳои PCB, UART, қувваи барқӣ ва дақиқии ECG дар кремнийи бастабандишуда.

Прототипи FPGA

Пеш аз ASIC tape-out тамоми SoC дар платформаи Xilinx Artix-7 Arty A7-35T прототипсозӣ шудааст. Басомади ҳадафии соат 100 MHz аст.

Равзанаҳои MIT-BIH ECG тавассути UART ба прототипи FPGA интиқол дода шуда, суръатбахши сахтафзорӣ дар сабтҳои санҷишӣ бо software golden model эквивалентии bit-exact нишон додааст.

Чаро муқоисаи адабиёти FPGA бояд бо эҳтиёт хонда шавад?

Таъхири 15,9 ms-и FPGA дар системаи пешниҳодшуда танҳо таъхири роҳи додаи филтр нест. Манбаъ ошкоро мегӯяд, ки ин вақти сар-то-сари система буда, интиқоли намунаҳои host UART, ҳамоҳангсозии MMIO, иҷрои фармонҳои firmware ва хондани таснифро дар бар мегирад.

Азбаски таҳқиқоти дигар вазифаҳо, алгоритмҳо ва таърифҳои гуногуни таъхирро истифода мебаранд, вақтҳои ин ҷадвал набояд мустақиман ҳамчун рейтинги “алгоритми зудтарин” хонда шаванд.

Ҷараёни тарҳи физикии ASIC

Пас аз санҷиши FPGA ҳамон меъмории RTL ба ҷараёни пурраи физикии ASIC дар раванди тиҷоратии 180 nm CMOS гузаронида шудааст.

Асбобҳои истифодашудаи EDA

Натиҷаҳои физикии кристалл

Қувваи 29,89 mW-и пешбинишудаи post-layout ва 25,2 mW-и ченшуда дар кремнийи воқеӣ бояд аз ҳам ҷудо карда шаванд. Аввалӣ симулятсияи баъди тарҳи физикӣ, дуюмӣ ченкунии кристалли истеҳсолшуда аст.

Системаи санҷиши post-silicon

Die-и истеҳсолшуда дар QFP-160 бастабандӣ ва ба PCB-и махсус ҷойгир шудааст. PCB хатҳои қувва, clock/reset, UART ва пайвастҳои GPIO/debug LED-ро ба берун мебарорад.

Нармафзори махсуси Python 3.10.12 барои санҷиш, ки дар host-компютер кор мекунад, бо кристалл тавассути 115.200 baud UART иртибот кардааст.

Нармафзори санҷиш дар манбаъ чор ҳолати кор дорад:

• firmware programming + live ECG streaming,
• GPIO/LED toggle test,
• UART logging,
• diagnostic reset.

Санҷиши физикии функсия бо 400 намуна

Дар санҷиши аввалини функсияи кремний ба кристалл равзанаи ташхисии ECG бо 400 намуна фиристода шудааст. 200 намунаи аввал минтақаи normal beat ва 200 намунаи дуюм минтақаи anormal beat мебошанд.

Дар манбаъ чен шудааст, ки дар минтақаи аввалини normal натиҷаи мусбати бардурӯғ пайдо нашуда, ҳангоми гузаштани sliding-window аз қуллаи тези R дар минтақаи anormal суръатбахш пайдарпай ду flag-и мусбат тавлид кардааст.

Ин мушоҳида ба шакли мавҷи воқеан ченшудаи ECG асос ёфтааст. Азбаски арзишҳои хоми намунаи графики raster-и манбаъ ба ҷадвал дароварда нашудаанд, Verianla ҳамон шакли мавҷро бо дақиқии сунъӣ бозсозӣ намекунад.

Дақиқии кремнийи воқеӣ ва нармафзор

Фарқи умумӣ байни кремний ва эталони нармафзории floating-point ҳамагӣ шаш beat аст. Манбаъ мегӯяд, ки ин фарқ аз гирдкунии арифметикаи суръатбахш ба вуҷуд наомадааст; зеро роҳи дода ба N+2 бит васеъ карда шудааст ва дар арифметикаи дохилии филтр талафи бит нест.

Сабаби фарқ он аст, ки нармафзор бо намунаҳои floating-point кор мекунад, аммо кристалл бо вурудҳои квантишудаи fixed-point ва остонаи квантишуда. Дар beat-ҳое, ки ба сарҳади остона хеле наздиканд, ин фарқи хурди муаррифӣ метавонад қарори дуиро тағйир диҳад.

Чаро Сабти 217 дақиқии пасттар дод?

Дар Сабти 217 дақиқии кремний то %87,89 коҳиш ёфт. Танҳо ҳамин сабт аз 428 хатои умумии кремний 236-то, тақрибан %55 ро ташкил медиҳад.

Манбаъ инро бо таркиби омехтаи beat-и сабт ва он алоқаманд мекунад, ки як остона дар як хусусияти баландгузар баъзе морфологияҳоро аз синфи Normal бо эътимод ҷудо карда наметавонад.

Ин натиҷа ҳамчунин ҳудуди вазифаеро нишон медиҳад, ки суръатбахши собити Лаплас дар он қавӣ аст: система градиентҳои баланди замониро дар атрофи QRS/R-қулла бо мураккабии хеле ками сахтафзор мегирад; аммо мисли CNN шумораи зиёди хусусиятҳои омӯзишшударо истифода намекунад.

Ченкуниҳои қувва

Қувва дар 100 MHz ва дар диапазони VDD = 1,0–2,0 V барои ҳолатҳои active, idle ва sleep дар кремнийи физикӣ чен шудааст.

Баъзе нуқтаҳои ченкуние, ки манбаъ дар матн ба таври равшан медиҳад:

Манбаъ мегӯяд, ки қувваи active ва idle бо зиёд шудани шиддат умуман меафзояд, дар атрофи 1,9 V ба қулла мерасад ва дар нуқтаи 2,0 V каме коҳиш меёбад.

Азбаски ҳамаи нуқтаҳои рақамии каҷи пурраи қувва дар манбаъ ба шакли ҷадвал дода нашудаанд, Verianla нуқтаҳои миёнаи графикро аз тасвир хонда ҳамчун маълумоти дақиқ бозсозӣ накардааст.

Энергияи фаъоли 178,9 µJ чӣ гуна ба даст меояд?

Манбаъ вақти коркарди сар-то-сари кремнийро барои равзанаи 400 намуна 7,1 ms медиҳад. Бо қувваи фаъоли ченшудаи 25,2 mW энергия:

\[ E=P\times t \]

бо робитаи асосӣ чунин мешавад:

\[ 25.2\;mW\times7.1\;ms \approx178.9\;\mu J \]

.

Ин ифодаи \(E=P\times t\) дар манбаъ муодилаи алоҳида рақамгузоришуда нест; дар ин ҷо барои шарҳи маънои физикии арзиши 178,9 µJ, ки манбаъ гузориш кардааст, робитаи асосии энергия истифода мешавад.

Оё 25 рӯзи кор бо CR2032 санҷиши воқеии батарея аст?

Не. Манбаъ инро ҳамчун сенарияи фарзиявии duty-cycled истифода пешниҳод мекунад.

Дар сенария фарз мешавад, ки SoC аксар вақт дар хоби амиқи 44 nA мемонад, танҳо барои коркарди равзанаҳои даврии буфершудаи ECG бедор мешавад ва қувваи миёна тақрибан ба 1 mW мерасад.

Барои ҳуҷайраи стандартии CR2032 бо 220 mAh, 3,0 V ва тақрибан 2376 J энергия, манбаъ бо ин фарз беш аз 600 соат, тақрибан 25 рӯз мониторингро пешбинӣ мекунад.

Ин рақам санҷиши дарозмуддати холишавии батарея бо CR2032-и физикӣ нест.

Муқоисаи адабиёти 180 nm ASIC

Ин муқоиса набояд ҳамчун “ин таҳқиқот аз ҳамаи дигарон беҳтар аст” хонда шавад. Манбаъ махсусан таъкид мекунад, ки алгоритмҳо ва доираи вазифаҳо фарқ мекунанд.

Кристалли 1D-CNN-и Lee ва ҳамкорон бо 0,102 mW қувваи фаъоли хеле камтар истеъмол мекунад, дар ҳоле ки SoC-и 25,2 mW-и ин таҳқиқот ба басомади баландтари соат ва таъхири кӯтоҳтари мутлақи система нигаронида шудааст.

Таъхири кӯтоҳтари Hoyer ва ҳамкорон бошад ченкунии кремнийи воқеӣ нест, балки аз cycle count-ҳои симулятсияшуда ҳосил шудааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• Ядрои собити Лапласи K = [−1, 2, −1] метавонад тағйироти тези замониро дар атрофи QRS/R-қуллаи ECG нисбат ба ҷузъҳои басомади пасти хатти асосӣ таъкид кунад.
• Ба шарофати коэффисиентҳои собит зарбкунандаҳои сахтафзорӣ метавонанд хориҷ шаванд ва роҳи додаи филтр то мураккабии комбинасионии тақрибан O(N) паст карда шавад.
• PicoRV32 ва суръатбахши махсус метавонанд тавассути MMIO-и стандартӣ дар як SoC муттаҳид карда шаванд.
• Прототипи FPGA бо software golden model ҷудокунии bit-exact-и хусусиятро нишон додааст.
• Дар 180 nm CMOS истеҳсоли физикии кристалл, DRC/LVS, logic equivalence ва post-layout timing closure анҷом ёфтааст.
• Кремнийи истеҳсолшуда дар сабтҳои воқеии MIT-BIH ECG тавассути UART кор карда шудааст.
• Бо калибркунии остонаи махсуси бемор/сабт дар панҷ сабт ва 10.393 beat дақиқии кремнийии %95,88 ба даст омадааст.
• Байни нармафзор ва кремний ҳамагӣ шаш beat фарқ вуҷуд дорад.
• Дар 1,8 V ва 100 MHz қувваи фаъоли 25,2 mW ва дар хоби амиқи 1,0 V ихроҷи 44 nW чен шудааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

Ин таҳқиқот исбот намекунад, ки дақиқии %95,88 дар беморони қаблан нодидашуда низ ҳамин тавр ба даст меояд. Остонаи қарори ҳар сабт бо нишонаҳои худи он калибр карда шудааст.

Таҳқиқот системаи ташхисии бисёрсинфӣ нест, ки ҳамаи намудҳои аритмияро тасниф кунад. Нишонагузории истифодашуда ба гурӯҳҳои дуии Normal ва муайяни Anormal beat маҳдуд аст; навъҳои дигари beat аз арзёбӣ хориҷ шудаанд.

Таҳқиқот тамоми ғавғо ва артефактҳои ҳаракатро дар ECG-и хом ҳал намекунад. Манбаъ фарз мекунад, ки сигнали вурудӣ аз коркарди пешакии стандартӣ гузаштааст.

Таҳқиқот омӯзиши клиникии перспективии беморон нест. Сабтҳои MIT-BIH дар кристалл дубора иҷро шуда, дар муҳити лабораторӣ санҷида шудаанд.

Таҳқиқот нишон намедиҳад, ки CNN-и умумӣ дар ҳама вазифаҳо нолозим аст. Манбаъ таъкид мекунад, ки сохтори собити Лаплас барои вазифаи мушаххас ва хуб муайяншудаи морфологияи QRS/R-қулла мувофиқ аст, аммо ба андозаи trainable CNN умумӣ нест.

Маҳдудиятҳои асосӣ

• Танҳо панҷ сабти MIT-BIH ва 10.393 beat арзёбӣ шудаанд.
• Остона барои ҳар сабт бо нишонаҳои худи он калибр карда шудааст.
• Алгоритми муфассали оптимизатсияи интихоби остона ва арзишҳои T барои ҳар сабт дар PDF гузориш нашудаанд.
• Навъҳои дигари MIT-BIH beat ба арзёбии дуӣ дохил карда нашудаанд.
• Ядрои собити K = [−1, 2, −1] бе тағйири сахтафзор ба синфҳои дигари аритмияи ғайриморфологӣ мутобиқ карда намешавад.
• Як остона махсусан дар сабтҳои дорои морфологияи омехта, ба монанди Сабти 217, қобилияти маҳдуди фарқгузорӣ нишон додааст.
• Барои ғавғои хоми басомади баланди EMG ва артефактҳои ҳаракат коркарди пешакии стандартӣ фарз шудааст.
• Қувваи фаъоли 25,2 mW на танҳо ба суръатбахш, балки ба тамоми SoC, аз ҷумла CPU, SRAM ва UART тааллуқ дорад.
• Мӯҳлати истифодаи CR2032 санҷиши воқеии дарозмуддати батарея нест, балки сенарияест, ки ба фарзияи қувваи duty-cycled асос ёфтааст.

Нақшаҳои кори оянда

Манбаъ нақша дорад, ки дар оянда ба система филтркунии рақамии пешакии камқувва ва механизмҳои остонаи мутобиқшаванда илова шаванд. Ҳадаф наздикшавии мустақимтар ба муҳитҳои клиникии хом ва пурғавғо аст.

Ҳамчунин барои Dynamic Frequency Scaling (DFS) илова кардани clock divider-и барномарезишавандаи хариташудаи хотира ва регулятори пастафт (LDO) дар кристалл пешниҳод шудааст.

Ҳадафи дигар васеъ кардани сохтори собити сета tap ба суръатбахши конфигуратсияшавандаи N-tap бо унсурҳои маҳаллии shift-and-add мебошад, то бо нигоҳ доштани фалсафаи тарҳи бидуни зарбкунанда ба синфҳои васеътари аномалия наздик шавад.

Ин хусусиятҳо натиҷаҳои амалишуда дар кристалли мавҷуда нестанд, балки пешниҳодҳои кори ояндаи мақолаанд.

Маънои дурусти муҳандисии натиҷа

Муваффақияти асосии ин таҳқиқот истифодаи мураккабтарин алгоритм дар таснифи ECG нест, балки истифодаи сохтори математикии як хусусияти мушаххаси морфологӣ барои хеле содда кардани сахтафзори махсус мебошад.

Имкони ҷудо кардани фарқи дуюми тези атрофи QRS/R-қулла бо филтри собити Лаплас имкон медиҳад зарбкунандаҳои умумӣ ва массивҳои калони MAC хориҷ шаванд. PicoRV32 бошад дар атрофи ин роҳи додаи махсус идоракунии барномарезишавандаи системаро таъмин мекунад.

Дар натиҷа таҳқиқот нишон медиҳад, ки муттаҳид кардани барномарезишавии RISC-V ва суръатбахшии хеле соддаи domain-specific дар як SoC дар кремнийи воқеӣ амалишаванда аст.

Дар иваз, умумияти алгоритмии система маҳдуд аст. Ин меъморӣ барои хусусияти муайяни биосигнал масоҳати кам ва роҳи детерминистии коркардро афзал медонад; чандирии васеи таснифро, ки шабакаҳои бисёрқабатаи омӯзишшаванда медиҳанд, таъмин намекунад.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Унвони аслӣ: A Low-Power PicoRV32-Based SoC with an Integrated Hardware Accelerator for Real-Time ECG R-Peak Anomaly Detection in 180-nm CMOS

Муаллифон: Phu-Cuong Le; Duc-Hung Le; Cong-Kha Pham.

Тартиби муаллифон: Тартиби манбаъ айнан нигоҳ дошта шудааст.

Саҳми баробар: Дар манбаъ ба муаллифии якуми баробар ё саҳми баробар ишора нашудааст.

Муаллифони масъул: Phu-Cuong Le ва Cong-Kha Pham.

Муассиса 1: Department of Computer and Network Engineering, The University of Electro-Communications (UEC), Tokyo, Japan.

Муассиса 2: Institute of System Integration, Le Quy Don Technical University (LQDTU), Hanoi, Vietnam.

Муассиса 3: Faculty of Electronics and Telecommunications, The University of Science, Vietnam National University Ho Chi Minh City, Ho Chi Minh City, Vietnam.

Маҷалла: Chips.

Ношир: MDPI, Basel, Switzerland.

Ҷилд / шумора / рақами мақола: 5 / 4 / 34.

DOI: 10.3390/chips5040034.

Санаи қабул: 31 августи 2026.

Санаи бозбинӣ: 28 сентябри 2026.

Санаи пазируфтан: 30 сентябри 2026.

Санаи нашр: 5 октябри 2026.

Навъи манбаъ: Мақолаи аслии таҳқиқотӣ; таҳлили алгоритм, прототипи FPGA, амалисозии физикии ASIC ва санҷиши лаборатории post-silicon-ро дар бар мегирад.

Ҳолати тақриз: Chips маҷаллаи илмии байналмилалии тақризшаванда ва дастрасии боз аст.

Нашри расмӣ: MDPI, Chips; DOI 10.3390/chips5040034.

Ёддошти версия: Манбаи боршуда PDF-и мақолаи нашршудаи 20-саҳифа аст. Сабти веби MDPI дар санҷиши ҷорӣ инчунин огоҳии “early access version”-ро нишон медиҳад; маълумоти библиографӣ бо PDF мувофиқ аст.

Литсензия: Creative Commons Attribution — CC BY.

Усули асосӣ: Ҷудокунии хусусияти дискретии Лаплас/FIR бо K = [−1, 2, −1]-и собит; остонаи барномарезишаванда; идоракунии PicoRV32 RV32I MMIO; прототипи FPGA; тарҳи физикии 180 nm CMOS; ченкуниҳои post-silicon ECG ва қувва.

Маҷмӯи дода: MIT-BIH Arrhythmia Database; дар арзёбӣ сабтҳои 100, 103, 107, 119 ва 217 истифода шудаанд.

Шумораи намунаҳо: 10.393 beat; 6107 Normal ва 4286 Anormal.

Басомади намунагирӣ: 360 Hz.

Равзанаи beat: 144 намуна; 250 ms пеш ва 150 ms пас аз қуллаи R.

Мутобиқсозии синф: Normal = N, L, R, e, j; Anormal = V, E, /. Дигар навъҳои beat хориҷ шудаанд.

Калибркунии остона: Дар асоси бемор/сабт анҷом дода шудааст. Манбаъ арзишҳои дақиқи остона ё тартиби муфассали оптимизатсияро гузориш намекунад.

FPGA: Xilinx Artix-7, Arty A7-35T; ҳадаф 100 MHz.

Раванди ASIC: Тиҷоратии 180 nm CMOS.

Масоҳати фаъоли ядро: 0,936 mm².

Шумораи standard-cell: 9373.

Зичии ҷойгиркунӣ: %75,2.

Core supply: nominal 1,8 V.

I/O supply: 3,3 V.

Баста: QFP-160.

Қувваи фаъоли ченшуда: 25,2 mW @ 1,8 V, 100 MHz.

Ихроҷи хоби ченшуда: 44 nA / 44 nW @ 1,0 V.

Дақиқии кремнийи ченшуда: %95,88 — 9965 / 10.393 beat.

Эталони нармафзорӣ: %95,94 — 9971 / 10.393 beat.

Фарқи нармафзор–кремний: 6 beat, 0,06 банди фоизӣ.

Вақти сар-то-сари равзанаи кремний: 7,1 ms / равзанаи 400 намуна.

Энергияи фаъоли равзана: тақрибан 178,9 µJ.

Маблағгузорӣ: Japan Science and Technology Agency (JST), Networked Exchange, United Strength for Stronger Partnerships between Japan and ASEAN (NEXUS), Grant JPMJNX25D4.

Дастгирии иловагӣ дар Acknowledgments: Манбаъ ҳамчунин дастгирии National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED), Vietnam, Grant NĐT/JP/26/01-ро дар бахши ташаккур зикр мекунад.

Дастрасии маълумот: Гуфта шудааст, ки маълумоти дастгиркунандаи натиҷаҳои гузоришшуда бо дархости асоснок аз муаллифи масъул дастрас аст.

Кумитаи этикаи институтсионалӣ: Татбиқ намешавад.

Ризоияти огоҳона: Татбиқ намешавад.

Барҳӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки бархӯрди манфиатҳо вуҷуд надорад.

Саҳми муаллифон: Консептуализатсия: Phu-Cuong Le ва Cong-Kha Pham. Усул: Phu-Cuong Le. Нармафзор: Phu-Cuong Le. Санҷиш: Phu-Cuong Le, Duc-Hung Le ва Cong-Kha Pham. Таҳлили формалӣ: Phu-Cuong Le. Таҳқиқот: Phu-Cuong Le ва Duc-Hung Le. Захираҳо: Cong-Kha Pham. Коркарди маълумот: Phu-Cuong Le. Лоиҳаи аввал: Phu-Cuong Le. Бозбинӣ ва таҳрир: Phu-Cuong Le, Duc-Hung Le ва Cong-Kha Pham. Визуализатсия: Phu-Cuong Le. Назорат ва идоракунии лоиҳа: Cong-Kha Pham. Гирифтани маблағгузорӣ: Cong-Kha Pham.

Ҳадди асосии тафсир: Дақиқии %95,88 бо калибркунии махсуси бемор/сабт ба даст омадааст ва натиҷаи умумисозии клиникии байнибеморӣ нест. Система вуруди ECG-и аз коркарди пешакии стандартӣ гузаштаро фарз мекунад ва сохтори Лапласи собит + як остона ҳамаи намудҳои аритмияро фаро намегирад.