Nios II系統(tǒng)在數(shù)字式心電診監(jiān)測設(shè)備中的應(yīng)用

1 引言

心電檢測儀是醫(yī)學(xué)界運(yùn)用廣泛的一種心電監(jiān)測設(shè)備，他主要由12導(dǎo)聯(lián)心電傳感器和心電信號處理設(shè)備兩部分組成，目前運(yùn)用廣泛的數(shù)字式心電檢測儀大都是由DSP處理器外加一個(gè)單片機(jī)（MCU），通過編寫復(fù)雜的并行通訊協(xié)議來完成的，這種結(jié)構(gòu)雖然有較高的精度，但硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，軟件編寫煩瑣，相應(yīng)的開發(fā)周期長，研制成本高。

本設(shè)計(jì)采用Altera公司先進(jìn)的SOPC（可編程片上系統(tǒng)）解決方案--以32位Nios II軟核CPU系統(tǒng)取代目前數(shù)字式心電儀的DSP和MCU的雙CPU結(jié)構(gòu)，通過靈活的Avalon總線，控制心電信號的采集、處理、回放、存儲等功能，Nios II系統(tǒng)設(shè)計(jì)以Nios II軟核為核心，將全部的接口電路集成在同一片FPGA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)部借給即可迅速、方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的擴(kuò)展、設(shè)計(jì)、大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了性價(jià)比，該Nios II系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 Nios II系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

Nios II系統(tǒng)選用Altera公司推出了新一代的、低成本的Cyclone系列FPGA器件EP1C6Q240，該器件具有5980個(gè)邏輯單元，20個(gè)M4K RAM塊，92 160b的RAM位和2個(gè)鎖相環(huán)，最大用戶I/O引腳185[1]。利用EP1C6Q240豐富的資源和ALTERA公司的Quartus II 5.0軟件開發(fā)平臺，配合使用SopcBuilder和Dspbuilder完成系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。

2.1 Nios II系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

由12導(dǎo)聯(lián)采集的心電信號經(jīng)調(diào)理、模擬濾波處理后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號送往Nios II系統(tǒng)，Nios II系統(tǒng)是整個(gè)心電診斷儀的核心部件，他主要控制著心電信號的A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)傳輸和處理，以及與外設(shè)的數(shù)據(jù)通訊等功能。

2.1.1 心電儀AD轉(zhuǎn)換器控制電路的設(shè)計(jì)

對于由12導(dǎo)聯(lián)傳感器采集的心電信號，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD574進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，Nios II系統(tǒng)對AD574的轉(zhuǎn)換控制電路由VHDL語言編寫的AD574控制IP核實(shí)現(xiàn)，自定義的IP核直接加載到SopcBuiler的元件池里，Nios II軟核通過Avalon總線可方便地對其操作，該IP的部分設(shè)計(jì)程序如下：


一方面，AD574控制IP核根據(jù)AD574的轉(zhuǎn)換時(shí)序，在Nios II的控制下，通過Avalon總線實(shí)現(xiàn)心電信號的AD轉(zhuǎn)換，另一方面，AD574控制IP核還作為數(shù)據(jù)的傳輸通道，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過Avalon總線送往雙口RAM存儲。

2.1.2 數(shù)據(jù)存儲電路--雙口RAM的設(shè)計(jì)

由于心電信號的動態(tài)范圍較大，為保證采樣信號的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)時(shí)將采樣頻率提高到256Hz，這樣勢必要求系統(tǒng)有較大的存儲空間，而且要保證采集的信號及時(shí)往外送顯，系統(tǒng)要求具有動態(tài)顯示的功能，因此，設(shè)計(jì)時(shí)，利用Quartus II5.0將EP1C6Q240內(nèi)部的M4K RAM存儲塊設(shè)計(jì)成存儲為256bit的雙口RAM，采集來的數(shù)據(jù)在Nios II的控制下，送往雙口RAM，當(dāng)RAM寫滿256個(gè)數(shù)據(jù)后，再觸發(fā)控制信號，將RAM內(nèi)數(shù)據(jù)送DSP模塊處理，雙口ROM的結(jié)果如圖2所示。

其中wren，rden分別是Nios II軟核控制下的寫使能、讀使能控制信號，wraddress[3..0]，rdaddress[3..0]是分別是寫地址信號和讀地址信號；clock為讀寫控制時(shí)鐘，寫入的數(shù)據(jù)為data[15..0]，讀出的信號為q[15..0]，設(shè)計(jì)時(shí)，我們將由AD574轉(zhuǎn)換得到的12位數(shù)字信號經(jīng)VHDL語言編程擴(kuò)展成16位數(shù)字信號，有利于Nios II軟核通過控制Avalon總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的處理。

2.1.3 數(shù)字信號處理電路的設(shè)計(jì)

DSP Builder為是Altera公司推出的高效的數(shù)字信號處理設(shè)計(jì)工具，本系統(tǒng)利用他設(shè)計(jì)出了256階FIR數(shù)字濾波器，濾波器的仿真結(jié)果如圖3所示，Nios II系統(tǒng)利用此濾波器較好的完成了心電數(shù)字信號的處理。

2.1.4 Nios II軟核的定制

Nios II軟核CPU是Nios II系統(tǒng)的核心，他控制著整個(gè)心電診儀心電信號的采集、處理與通訊過程，利用SOPC Builder可十分方便地定制32位Nios II CPU和參數(shù)化的Avalon接口總線，然后再通過適當(dāng)裁減，增添合適的元件核，以適應(yīng)Nios II系統(tǒng)功能的需求，最后配置的內(nèi)核結(jié)果如圖4所示。

2.2 Nios II的軟件設(shè)計(jì)

SopcBuilder的Nios II IDE具有友好的操作界面，他采用文件操作的方式訪問系統(tǒng)外設(shè)，語法簡便，相應(yīng)的函數(shù)豐富，使軟件設(shè)計(jì)人員可根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)十分方便地設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件，心電診斷儀的Nios II軟件設(shè)計(jì)總是要針對液晶顯示屏，外部FLASH的編程，程序很容易實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語

圖5是某人員利用該檢測儀測得的心電圖，監(jiān)測結(jié)果良好。