基于Nios II的多生理參數(shù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    隨著醫(yī)療儀器設(shè)備向智能化、微型化、系列化、數(shù)字化和多功能方向的發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備中邏輯控制器件也由采用中、小規(guī)模的集成芯片發(fā)展到應(yīng)用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)

        使用FPGA器件可以大大縮短醫(yī)療設(shè)備的研制周期，減少開發(fā)成本，同時(shí)還可以很方便地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行在線修改，因此FPGA在醫(yī)療設(shè)備中有很廣泛的應(yīng)用[1]

　　本文主要搭建一個(gè)多生理參數(shù)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，在FPGA中嵌入一個(gè)32位Nios II軟核處理器，用于控制數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)及顯示主要完成了此數(shù)據(jù)處理平臺(tái)硬件系統(tǒng)的定制及編寫相應(yīng)程序，以控制數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及顯示

　　采用Nios II處理器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以將全部的接口電路集成在同一片F(xiàn)PGA上，結(jié)構(gòu)簡單同時(shí)，利用Nios II軟核可在線配置的優(yōu)點(diǎn)，通過軟件編程改變FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)即可迅速、方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的擴(kuò)展、升級(jí)，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了性價(jià)比

　　多生理參數(shù)測量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　一個(gè)完整的生理參數(shù)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為三部分:前端檢測電路、接口部分、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，分別完成生理信號(hào)的采集、傳輸和信號(hào)的處理功能，系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示

　　前端檢測電路主要完成信號(hào)的采集和量化通過連接不同的傳感器，可以對(duì)不同的生理信號(hào)進(jìn)行采集，包括心電信號(hào)、脈搏信號(hào)、體溫等常見生理信號(hào)采集到的生理信號(hào)經(jīng)過一些放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后，通過串口發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理，得到所需要的各種生理參數(shù)，最后進(jìn)行顯示或者無線傳輸本文主要完成基于FPGA技術(shù)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的搭建

　　基于FPGA技術(shù)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)搭建的是一個(gè)以Nios II軟核處理器為核心的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，首先控制串口接收數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)空間，經(jīng)過相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，通過控制顯示外設(shè)顯示相應(yīng)的波形和參數(shù)NiosⅡ是基于哈佛結(jié)構(gòu)的RISC通用嵌入式處理器軟核，能與用戶邏輯相結(jié)合，編程至Altera的FPGA中處理器具有32位指令集、32位數(shù)據(jù)通道和可配置的指令以及數(shù)據(jù)緩沖[2-3]

　　硬件平臺(tái)的構(gòu)建

　　在本設(shè)計(jì)中，NiosⅡ軟核處理器作為控制核心，通過連接串口、存儲(chǔ)器件、顯示外設(shè)構(gòu)成基本的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)因此搭建了如圖2所示的硬件平臺(tái)

　　硬件平臺(tái)主要在Terasic公司的Altera DE2開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的主要組件有NiosⅡ的內(nèi)核、片內(nèi)存儲(chǔ)器、定時(shí)器、VGA控制器、LCD控制器等，都集成在一塊Altera的Cyclone II FPGA芯片上，使用SoPC Builder來配置生成片上系統(tǒng)SoPC Builder自動(dòng)產(chǎn)生每個(gè)模塊的HDL文件，同時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生一些必要的仲裁邏輯來協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各部件的工作[4]

　　NiosⅡ軟核系統(tǒng)的定制

　　根據(jù)圖2所構(gòu)建的硬件平臺(tái)，利用SoPC Builder定制32位NiosⅡ CPU以及參數(shù)化的Avalon接口總線，然后再通過適當(dāng)增添平臺(tái)中所需的元件核，以適應(yīng)NiosⅡ系統(tǒng)功能的需求，生成如圖3所示的基本定制

        數(shù)據(jù)顯示模塊的設(shè)計(jì)

　　在Nios II系統(tǒng)中，VGA是一個(gè)外設(shè)IP核設(shè)計(jì)中最重要的部分是VGA時(shí)序的產(chǎn)生，它是正常輸出顯示的關(guān)鍵，包含在VGA控制器中VGA控制器是用SoPC Builder中的interface to user logic生成的，首先用硬件描述語言定義一個(gè)時(shí)序輸出和RGB信號(hào)輸出模塊，點(diǎn)時(shí)鐘25.175MHz由開發(fā)板提供的時(shí)鐘經(jīng)鎖相環(huán)分頻產(chǎn)生鎖相環(huán)是通過MegWizard工具加入系統(tǒng)的該模塊實(shí)現(xiàn)了VGA輸出所需的點(diǎn)時(shí)鐘、復(fù)合同步控制信號(hào)、復(fù)合消隱控制信號(hào)、行同步和場同步信號(hào)；同時(shí)也完成了從寄存器內(nèi)讀取輸出顯示命令及顏色值其中點(diǎn)時(shí)鐘、復(fù)合同步控制信號(hào)、復(fù)合消隱控制信號(hào)和RGB數(shù)字信號(hào)輸入給ADV7123，行同步、場同步和由ADV7123轉(zhuǎn)換輸出的RGB模擬信號(hào)輸入給VGA顯示器另外，還要用硬件描述語言實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器的讀寫，以使VGA控制器端口符合Avalon接口規(guī)范

        用HDL語言編寫了VGA模塊的時(shí)序控制及RGB信號(hào)的輸出程序，其時(shí)序仿真結(jié)果如圖5所示

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)所用的開發(fā)板上提供了豐富的存儲(chǔ)資源，包括8MB的SDRAM、512KB的SRAM、4MB的Flash，另外還有SD卡接口，通用的GPIO接口也可以方便地連接片外擴(kuò)展的存儲(chǔ)芯片

　　本文主要設(shè)計(jì)了以Nios II軟核處理器為核心的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)在以后的設(shè)計(jì)中，可以進(jìn)一步研究數(shù)據(jù)處理的算法，包括信號(hào)的數(shù)字濾波、參數(shù)的數(shù)值計(jì)算等

　　基于極其靈活的Nios II處理器的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)可以根據(jù)不同醫(yī)院、社區(qū)和家庭的需要通過選擇不同的前端數(shù)據(jù)采集模塊和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行快速的配置和升級(jí)同時(shí)可以通過網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療和信息共享在現(xiàn)代醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)中采用現(xiàn)場可編程門陣列實(shí)現(xiàn)，將顯著縮短開發(fā)周期，減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，降低成本，提高產(chǎn)品的可靠性、靈活性，并實(shí)現(xiàn)模塊化、微型化