基于Nios軟核的CT機掃描系統控制器設計

基于Nios軟核的SOPC系統，其最大特點(diǎn)就是靈活，可以根據自己的需要靈活改變Nios的外圍設備，使得硬件利用效率達到最高，同時(shí)它具有ISP(In System Programmable,在系統編程)的功能，可裁減，可擴充，可升級。本文充分利用了Nios系統靈活定制的優(yōu)點(diǎn)，設計實(shí)現了一套CT機掃描系統控制器。

2 CT掃描系統控制器

CT機是根據不同密度和厚度的物體對X射線(xiàn)的吸收程度不同的原理，通過(guò)計算機成像技術(shù)，對病人身體成像的一種醫學(xué)設備。CT機掃描系統由X射線(xiàn)發(fā)生系統，數據采集系統，對準柵三個(gè)子系統組成，如圖1所示。掃描系統由掃描架承載，掃描架是一個(gè)旋轉體，掃描系統隨著(zhù)掃描架旋轉，以獲得不同角度下的人體信息，掃描架旋轉一周所得數據可產(chǎn)生圖像。

掃描系統的三部分中，X射線(xiàn)發(fā)生系統產(chǎn)生射線(xiàn)，掃描系統控制器通過(guò)CAN總線(xiàn)和它通信，發(fā)送X射線(xiàn)參數和動(dòng)作指令，同時(shí)接收X射線(xiàn)發(fā)生器的狀態(tài)信息。數據采集系統負責對X射線(xiàn)采樣和傳輸數據，它掃描系統控制器采用RS422總線(xiàn)與其通信，發(fā)送控制指令，并接收指令執行狀態(tài)。同時(shí)有IO接口用作采樣觸發(fā)脈沖和 采樣使能。對準柵通過(guò)擋板來(lái)調節X射線(xiàn)的開(kāi)口寬度，擋板由一個(gè)步進(jìn)電機驅動(dòng)。掃描系統控制器接收來(lái)自上級的開(kāi)口寬度指令，然后發(fā)出控制脈沖，控制步進(jìn)電機到達指定位置，通過(guò)編碼器接收步進(jìn)電機轉子位置信號，形成閉環(huán)。

CT掃描系統控制器負責三個(gè)子系統的協(xié)調控制，為掃描系統中設備的通信中心和控制中心。首先它和上級控制單元通信，接收指令和匯報各子系統狀態(tài)，其次與各子系統通信，發(fā)送控制指令，并接收子系統的狀態(tài)信息。它根據接收到的控制指令和掃描架的位置信息，控制對準柵到達指定寬度，產(chǎn)生控制X射線(xiàn)發(fā)生和采樣的時(shí)序?？梢?jiàn)，CT掃描系統控制器包括了實(shí)時(shí)通信、電機控制，時(shí)序控制，是一個(gè)多任務(wù)的系統。并且對實(shí)時(shí)性要求也很高，任何一點(diǎn)時(shí)序發(fā)生偏差，都會(huì )對病人造成不必要的傷害。

本文使用SOPC的方式，設計了以一片FPGA為核心的CT機掃描系統控制器硬件，定制了基于Nios軟核的FPGA系統，然后設計了基于實(shí)時(shí)操作系統Nucleus的應用軟件，實(shí)現了CT機掃描系統控制器的上述功能。

3 基于Nios的硬件設計

本文使用了Altera 公司的FPGA Cyclone EP1C20，它擁有充足的可編程資源來(lái)實(shí)現SOPC。因為系統所有功能均由FPGA實(shí)現，硬件電路除FPGA外只需加上存儲器件和一些物理層接口芯片即可。本文使用了一片8M Byte FLASH、一片16M Byte SDRAM，CAN總線(xiàn)收發(fā)器和RS422總線(xiàn)收發(fā)器等作為FPGA的外圍設備，硬件電路的結構簡(jiǎn)單明了，提高了系統的可靠性。FPGA系統運行時(shí)鐘為50MHz，保證了系統的運算速度。

通過(guò)Altera的SOPC Builder軟件包可以定制基于Nios軟核的FPGA系統，它提供了一些基本的Nios外設模塊，如UART控制器、定時(shí)器、FLASH控制器、SDRAM控制器等。本文設計的CT掃描系統控制器FPGA內部結構如圖2所示。

Nios是流水線(xiàn)結構的RISC 軟核處理器，它可以選擇32位架構或者16位架構。本文使用32位架構，并在SOPC Builder中設置了4K Byte數據緩存和指令緩存，以節省CPU讀取數據和指令的時(shí)間，提高系統性能。

由圖2可見(jiàn)，Nios軟核通過(guò)AVALON總線(xiàn)與各擴展模塊相連接。AVALON總線(xiàn)是專(zhuān)門(mén)用于Nios連接外設的一種總線(xiàn)結構，它具有分離的地址，數據和控制線(xiàn)，并提供動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)總線(xiàn)寬度調整等功能。Nios軟核為其主設備。

AVALON總線(xiàn)上的從設備有SDRAM控制器，Flash控制器、定時(shí)器、通信接口UART控制器和CAN 控制器。在設計Nios軟核的外設時(shí)，采用已有的IP核能有效縮短設計周期，同時(shí)經(jīng)過(guò)充分驗證的IP核也保證了設計的可靠性。本文根據需要采用了三個(gè)UART控制器作為Nios軟核的外設，分別用于與上級單元通信、與數據采集系統通信和調試信息輸出；還使用了CAST公司的IP 核作CAN 控制器，它支持CAN 2.0協(xié)議。

在FPGA片內，使用了4 Kbyte的ROM，此ROM中包含了Altera提供的GERMS Monitor啟動(dòng)引導程序，它可以實(shí)現啟動(dòng)引導、程序下載和基本調試功能。在調試中，通過(guò)調試串口和GERMS Monitor通信，將可執行的映象文件下載到SDRAM或FLASH中。

另外，本文根據應用的特殊要求設計了自定義模塊——掃描時(shí)序控制模塊和步進(jìn)電機控制模塊。在SOPC系統中，更容易選擇系統功能是由運行于Nios中的軟件實(shí)現，還是使用FPGA硬件實(shí)現，由此可以均衡系統軟硬件的功能，使效率達到最高。系統功

能用FPGA硬件實(shí)現的優(yōu)勢在于數據的并行處理，實(shí)時(shí)響應非?？?；而用處理器軟件實(shí)現的優(yōu)勢在于通訊和復雜情況的判斷等。本文中為了提高系統的實(shí)時(shí)性，將步進(jìn)電機控制在FPGA中實(shí)現。步進(jìn)電機控制FPGA模塊如圖3所示。

圖3右邊為AVALON總線(xiàn)接口，由片選，地址線(xiàn)、數據線(xiàn)、讀寫(xiě)使能和中斷信號組成。左邊為FPGA的輸出，即與步進(jìn)電機驅動(dòng)器接口：DIR為步進(jìn)電機運行方向控制，Pulse為步進(jìn)電機的控制脈沖，HOFF為保持信號。

下方三個(gè)信號為編碼器的反饋信號，分別是A相脈沖、B相脈沖和初始位置信號。步進(jìn)電機控制模塊接收Nios通過(guò)AVALON總線(xiàn)發(fā)送來(lái)的目標位置信息，然后根據當前位置及目標位置，得到到達目標所需的步進(jìn)電機的脈沖數，發(fā)出相應的脈沖。同時(shí)，根據反饋的編碼器信號，解碼得到電機當前位置信息，并判斷步進(jìn)電機運動(dòng)是否達到目標位置，控制任務(wù)是否完成。然后產(chǎn)生中斷，通知Nios軟核任務(wù)完成情況?？梢?jiàn)運行于Nios中的軟件只需將目標位置通知電機控制模塊 即可，大大減輕了CPU的負擔。

4 軟件設計

由前文可以看出，掃描系統控制器需要完成多項功能，軟件體系復雜，而且通信、掃描控制、電機控制等環(huán)節要求很高的實(shí)時(shí)和并發(fā)性。在這種情況下，采用傳統的基于前后臺的嵌入式軟件設計方法將存在很大的困難，軟件設計結構復雜，工作量大，且開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，功能擴展受限。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統為系統軟件設計提供了良好的開(kāi)發(fā)平臺，承擔起系統資源管理的責任。這樣就簡(jiǎn)化了應用程序設計，保障了軟件質(zhì)量，縮短了開(kāi)發(fā)周期。本文采用了ATI公司開(kāi)發(fā)的Nucleus操作系統，Nucleus是一個(gè)搶先式多任務(wù)操作系統內核，具有源代碼開(kāi)放、性?xún)r(jià)比高、功能模塊豐富等優(yōu)點(diǎn)。

本文中，軟件結構可分為三個(gè)結構層次，最底層為硬件抽象層，主要由Nios軟核外設驅動(dòng)程序中斷服務(wù)程序以及板級初始化程序組成，外設驅動(dòng)程序包括UART控制器, CAN控制器, 步進(jìn)電機控制模塊，掃描控制模塊的驅動(dòng)程序，此部分是操作系統與底層硬件的接口。第二層為Nucleus操作系統內核及其服務(wù)，它提供任務(wù)調度，中斷管理，內存管理、定時(shí)控制等服務(wù)。最高層為應用軟件層，運行在操作系統之上，完成所有的應用功能。根據系統功能，應用軟件結構如圖4所示:

系統管理單元是系統工作的核心，包括兩個(gè)任務(wù)：命令解析任務(wù)和系統狀態(tài)控制任務(wù)。命令解析任務(wù)接收上級控制單元指令，將其解析為各個(gè)子系統需要完成的任務(wù)目標，并發(fā)送給各個(gè)子系統控制單元。子系統控制單元控制子系統完成指令。系統狀態(tài)控制任務(wù)是一個(gè)狀態(tài)機，控制著(zhù)CT掃描系統的運行狀態(tài)。它根據當前的系統狀態(tài)和上級指令，判斷系統的目標動(dòng)作，控制掃描時(shí)序，同時(shí)和各子系統管理單元通信，同步各子系統管理單的任務(wù)執行，并將各子系統狀態(tài)發(fā)送給上級控制單元。本文采用信號量和事件的手段同步各任務(wù)。

數據采集管理單元是控制器與數據采集系統的接口，它負責數據采集系統的初始化、數據采集參數設置、數據采集系統狀態(tài)監控和對其錯誤狀態(tài)進(jìn)行處理。這部程序分包括串口通訊接收任務(wù)和數據采集系統管理任務(wù)。

由前文可知步進(jìn)電機控制功能由FPGA硬件實(shí)現，因此對準柵管理單元的工作變得十分簡(jiǎn)單，它從系統狀態(tài)控制部分接收對準柵開(kāi)口寬度，將其傳遞給步進(jìn)電機控制模塊，然后通過(guò)步進(jìn)電機控制模塊的中斷服務(wù)程序，監控任務(wù)完成情況。

與數據采集控制類(lèi)似，射線(xiàn)發(fā)生器控制部分負責射線(xiàn)發(fā)生器的初始化、射線(xiàn)參數設置、監控射線(xiàn)發(fā)生器狀態(tài)和異常情況處理。它包括一個(gè)射線(xiàn)發(fā)生控制任務(wù)和CAN通訊處理任務(wù)。射線(xiàn)發(fā)生控制任務(wù)負責完成射線(xiàn)發(fā)生器的參數管理和狀態(tài)監控，CAN通訊任務(wù)完成CAN總線(xiàn)數據的收發(fā)功能。

上述任務(wù)均為事件驅動(dòng)方式，在系統不工作時(shí)，Nios處理器處于空閑狀態(tài)，這樣可以降低系統功耗。任務(wù)間通訊采用管道(Pipe)的方式，管道的優(yōu)點(diǎn)是可以傳輸變長(cháng)的數據。CT掃描系統控制器需要接收系統配置、掃描、故障診斷等不同長(cháng)度的上級控制指令，所以在命令解析任務(wù)與通信接口任務(wù)之間采用管道進(jìn)行通訊，另一方面命令解析任務(wù)向各子系統控制任務(wù)發(fā)送的指令長(cháng)度也是不確定的，所以與三個(gè)子系統管理單元通訊也采用管道的方式。

合理的配置任務(wù)優(yōu)先級是嵌入式系統軟件可靠工作的必要條件。本文中，任務(wù)的根據重要程度可分為三個(gè)層次：首先是系統狀態(tài)控制，它是系統運行的中樞，同時(shí)控制著(zhù)掃描時(shí)序，必須保證狀態(tài)控制任務(wù)的暢通運行，因此它具有最高優(yōu)先級設為1。其次是與上級控制單元的接口，包括串口通信任務(wù)和命令解析任務(wù)，控制器必須準確的接收上級單元的命令并及時(shí)反饋，所以這兩個(gè)任務(wù)優(yōu)先級設為2。最后是各子系統管理任務(wù)，其中射線(xiàn)管理單元如果誤操作，可能對人員造成損害，所以它的兩個(gè)任務(wù)優(yōu)先級較高，設為3，其余子系統管理單元任務(wù)較低均設為4。

本文的應用軟件使用GNU交叉編譯器編譯，然后經(jīng)ATI公司的Codelab軟件調試通過(guò)。

5 實(shí)驗驗證

為驗證調試CT掃描系統控制器，搭建了測試平臺。測試平臺由一臺PC機、CT數據采集系統和對準柵組成，其中PC機模擬CT掃描系統控制器的上級單元和 X射線(xiàn)發(fā)生系統。

通過(guò)監聽(tīng)與上下級控制單元的通訊，測量對準柵的開(kāi)口寬度，測量控制器輸出的數據采集和射線(xiàn)發(fā)生控制信號波形，證明，本文設計的CT掃描系統控制器能夠滿(mǎn)足多任務(wù)實(shí)時(shí)處理的要求。

6 結論

本文采用SOPC方式設計實(shí)現了多任務(wù)，實(shí)時(shí)響應的CT掃描系統控制器。硬件設計以Nios軟核和FPGA為核心，充分利用SOPC系統的靈活定制的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了電路結構，縮短了設計周期，減輕了處理器運算負擔。同時(shí)基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統Nucleus的結構化、層次化應用程序設計，保證了系統的軟件質(zhì)量和實(shí)時(shí)性。試驗表明，本文設計的C

本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)：使用基于Nios軟核和實(shí)時(shí)操作系統的方式實(shí)現了實(shí)時(shí)多任務(wù)控制系統，充分利用了Nios軟核靈活定制的特點(diǎn)，使用硬件加速的方式減輕了處理器負擔，保證了系統性能。