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

1 引言

心電檢測(cè)儀是醫(yī)學(xué)界運(yùn)用廣泛的一種心電監(jiān)測(cè)設(shè)備，他主要由12導(dǎo)聯(lián)心電傳感器和心電信號(hào)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(cè)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(zhǎng)，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(hào)的采集、處理、回放、存儲(chǔ)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(jiǎn)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(tái)，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(hào)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(hào)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(hào)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(duì)于由12導(dǎo)聯(lián)傳感器采集的心電信號(hào)，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(duì)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(duì)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(hào)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(chǔ)。

2.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路--雙口ram的設(shè)計(jì)

由于心電信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較大，為保證采樣信號(hào)的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)時(shí)將采樣頻率提高到256hz，這樣勢(shì)必要求系統(tǒng)有較大的存儲(chǔ)空間，而且要保證采集的信號(hào)及時(shí)往外送顯，系統(tǒng)要求具有動(dòng)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(chǔ)塊設(shè)計(jì)成存儲(chǔ)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(hào)，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(hào)，wraddress[3..0]，rdaddress[3..0]是分別是寫地址信號(hào)和讀地址信號(hào)；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(hào)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(hào)經(jīng)vhdl語言編程擴(kuò)展成16位數(shù)字信號(hào)，有利于nios ii軟核通過控制avalon總線，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的處理。

2.1.3 數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(jiǎn)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(duì)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(cè)儀測(cè)得的心電圖，監(jiān)測(cè)結(jié)果良好。