Nios II系統在數字式心電診監測設備中的應用

1 引言

心電檢測儀是醫學(xué)界運用廣泛的一種心電監測設備，他主要由12導聯(lián)心電傳感器和心電信號處理設備兩部分組成，目前運用廣泛的數字式心電檢測儀大都是由DSP處理器外加一個(gè)單片機（MCU），通過(guò)編寫(xiě)復雜的并行通訊協(xié)議來(lái)完成的，這種結構雖然有較高的精度，但硬件設計復雜，軟件編寫(xiě)煩瑣，相應的開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，研制成本高。

本設計采用Altera公司先進(jìn)的SOPC（可編程片上系統）解決方案--以32位Nios II軟核CPU系統取代目前數字式心電儀的DSP和MCU的雙CPU結構，通過(guò)靈活的Avalon總線(xiàn)，控制心電信號的采集、處理、回放、存儲等功能，Nios II系統設計以Nios II軟核為核心，將全部的接口電路集成在同一片FPGA上，結構簡(jiǎn)單，同時(shí)，利用Nios II軟核可在線(xiàn)配置的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)軟件編程改變FPGA的內部借給即可迅速、方便地實(shí)現系統性能的擴展、設計、大大縮短了系統的開(kāi)發(fā)周期，提高了性?xún)r(jià)比，該Nios II系統的結構如圖1所示。

2 Nios II系統的設計

Nios II系統選用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(hù)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(kāi)發(fā)平臺，配合使用SopcBuilder和Dspbuilder完成系統的硬件和軟件設計。

2.1 Nios II系統的硬件設計

由12導聯(lián)采集的心電信號經(jīng)調理、模擬濾波處理后，經(jīng)A/D轉換器將數字信號送往Nios II系統，Nios II系統是整個(gè)心電診斷儀的核心部件，他主要控制著(zhù)心電信號的A/D轉換，數據傳輸和處理，以及與外設的數據通訊等功能。

2.1.1 心電儀AD轉換器控制電路的設計

對于由12導聯(lián)傳感器采集的心電信號，通過(guò)模/數轉換芯片AD574進(jìn)行模/數轉換，Nios II系統對AD574的轉換控制電路由VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)的AD574控制IP核實(shí)現，自定義的IP核直接加載到SopcBuiler的元件池里，Nios II軟核通過(guò)Avalon總線(xiàn)可方便地對其操作，該IP的部分設計程序如下：


一方面，AD574控制IP核根據AD574的轉換時(shí)序，在Nios II的控制下，通過(guò)Avalon總線(xiàn)實(shí)現心電信號的AD轉換，另一方面，AD574控制IP核還作為數據的傳輸通道，將轉換的數據通過(guò)Avalon總線(xiàn)送往雙口RAM存儲。

2.1.2 數據存儲電路--雙口RAM的設計

由于心電信號的動(dòng)態(tài)范圍較大，為保證采樣信號的準確性，設計時(shí)將采樣頻率提高到256Hz，這樣勢必要求系統有較大的存儲空間，而且要保證采集的信號及時(shí)往外送顯，系統要求具有動(dòng)態(tài)顯示的功能，因此，設計時(shí)，利用Quartus II5.0將EP1C6Q240內部的M4K RAM存儲塊設計成存儲為256bit的雙口RAM，采集來(lái)的數據在Nios II的控制下，送往雙口RAM，當RAM寫(xiě)滿(mǎn)256個(gè)數據后，再觸發(fā)控制信號，將RAM內數據送DSP模塊處理，雙口ROM的結果如圖2所示。

其中wren，rden分別是Nios II軟核控制下的寫(xiě)使能、讀使能控制信號，wraddress[3..0]，rdaddress[3..0]是分別是寫(xiě)地址信號和讀地址信號；clock為讀寫(xiě)控制時(shí)鐘，寫(xiě)入的數據為data[15..0]，讀出的信號為q[15..0]，設計時(shí)，我們將由AD574轉換得到的12位數字信號經(jīng)VHDL語(yǔ)言編程擴展成16位數字信號，有利于Nios II軟核通過(guò)控制Avalon總線(xiàn)，實(shí)現數字信號的處理。

2.1.3 數字信號處理電路的設計

DSP Builder為是Altera公司推出的高效的數字信號處理設計工具，本系統利用他設計出了256階FIR數字濾波器，濾波器的仿真結果如圖3所示，Nios II系統利用此濾波器較好的完成了心電數字信號的處理。

2.1.4 Nios II軟核的定制

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

2.2 Nios II的軟件設計

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(fǎng)問(wèn)系統外設，語(yǔ)法簡(jiǎn)便，相應的函數豐富，使軟件設計人員可根據系統硬件結構十分方便地設計系統的軟件，心電診斷儀的Nios II軟件設計總是要針對液晶顯示屏，外部FLASH的編程，程序很容易實(shí)現。

3 結語(yǔ)

圖5是某人員利用該檢測儀測得的心電圖，監測結果良好。