基于Nios II的MRI脊柱圖像分割系統(tǒng)

      1. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　SOPC Builder設(shè)置如下圖

　　Quartus II 軟件下模塊示意圖如下

　　系統(tǒng)實(shí)物圖片：

　　2. 實(shí)現(xiàn)步驟及實(shí)現(xiàn)方法

　　1. LCD圖像顯示及人機(jī)交互模塊

　　(1) LCD及鼠標(biāo)硬件部分

　　LCD控制器芯片采用TCB8000C，控制5.7寸TFT65000色LCD顯示屏。控制器接口與MCU接口圖如下，通過(guò)編寫(xiě)了硬件程序以Avalon總線從設(shè)備的方式連接到Avalon總線上，實(shí)現(xiàn) Nios直接訪問(wèn)LCD控制器的功能，利于驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)，簡(jiǎn)化后續(xù)的GUI移植中有關(guān)LCD驅(qū)動(dòng)部分。

　　系統(tǒng)采用ＰＳ／２接口鼠標(biāo)，ＰＳ／２鼠標(biāo)接口采用一種雙向同步串行協(xié)議。即每在時(shí)鐘線上發(fā)一個(gè)脈沖，就在數(shù)據(jù)線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)。與nios的連接仍然采用verilog語(yǔ)言編寫(xiě)Avolon從設(shè)備，實(shí)現(xiàn)ＰＳ／２鼠標(biāo)的傳輸協(xié)議。程序包括mouse_avalon_interFace.v，mouse_register_file.v ， ps2_mouse_interface.v 。其中mouse_avalon_interface.v 是avalon總線從設(shè)備接口，mouse_register_file.v，ps2_mouse_interface.v完成ＰＳ／２鼠標(biāo)協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸。編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的GUI下的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)GUI的鼠標(biāo)操作功能。

　　(2) μc/gui移植

　　μC／GUI是一款針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)秀圖形軟件，它具有源碼公開(kāi)、可移植、可裁減、穩(wěn)定性和可靠性高的特點(diǎn)。μC／GUI提供了豐富的界面元素，例如按鈕、編輯框、滑動(dòng)條等控件，同時(shí)支持高效的窗口會(huì)調(diào)機(jī)制，為界面與應(yīng)用函數(shù)之間提供了良好的接口機(jī)制。多功能數(shù)字小相框系統(tǒng)的人機(jī)交互界面正是利用這個(gè)工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。

　　μC／GUI軟件體系結(jié)構(gòu)如下:

　　μC／GUI函數(shù)庫(kù)為用戶程序提供GUI接口，包含的函數(shù)有文本、數(shù)值、二維圖形、輸入設(shè)備以及各種窗口對(duì)象。其中，輸入設(shè)備可以是鍵盤(pán)、鼠標(biāo)或觸摸屏；二維圖形包括圖片、直線、多邊形、園、橢圓、圓弧等；窗口對(duì)象包括按鈕、編輯框、進(jìn)度條、復(fù)選框等。

　　μC／GUI函數(shù)庫(kù)可以通過(guò)GUIConf．h文件進(jìn)行配置，配置的內(nèi)容包括是否采用內(nèi)存設(shè)備，是否采用窗口管理器，是否支持操作系統(tǒng)、觸摸屏，以及配置動(dòng)態(tài)內(nèi)存的大小等。

　　在LCDConf．h文件中定義了與硬件有關(guān)的各種屬性，如液晶的大小、顏色以及與液晶的接口函數(shù)。而LCD驅(qū)動(dòng)文件則負(fù)責(zé)把μC／GUI的各種函數(shù)解釋成LCDConf．h文件中定義的液晶接口函數(shù)，這個(gè)文件與具體的硬件連接無(wú)關(guān)。

　　μC／GUI與LCD的硬件接口通過(guò)驅(qū)動(dòng)文件把硬件接口函數(shù)轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)CDConf．h中定義的LCD讀寫(xiě)函數(shù)。

　　μC／GUI移植過(guò)程：

　　1. 配置文件的移植

　　移植工作首先需要完成的是對(duì)配置文件的GUIConf.h, LCDConf.h移植，根據(jù)數(shù)字相冊(cè)系統(tǒng)的顯示模塊的要求，對(duì)配置文件的相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行配置。

　　2. LCD驅(qū)動(dòng)的移植

　　μC／GUI針對(duì)不同的液晶控制器提供了多種驅(qū)動(dòng)程序，如KS0713、SEDl335、T6963等控制器都有對(duì)應(yīng)的液晶驅(qū)動(dòng)程序。但是由于在本系統(tǒng)中，采用的顯示模塊為T(mén)OPWAY TCB8000A LCD控制器和TFT、 65000色、LCD屏。而μC／GUI沒(méi)有提供相關(guān)控制器的驅(qū)動(dòng)，并且與μC／GUI提供驅(qū)動(dòng)支持的LCD控制器相比較，TCB8000A控制器擁有自己獨(dú)立的屏幕控制指令體系，這給μC／GUI在TCB8000A控制器的移植工作帶來(lái)了很大的難度。

　　在移植的過(guò)程中，我們首先運(yùn)用TCB8000A的指令體系，實(shí)現(xiàn)了μC／GUI為上層應(yīng)用函數(shù)提供的大部分API函數(shù)，接著對(duì)于TCB8000A控制器不能在硬件支持的API函數(shù)，我們采用軟件實(shí)現(xiàn)的方法對(duì)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了修補(bǔ)，最后通過(guò)對(duì)大量控件顯示測(cè)試實(shí)驗(yàn)，調(diào)整了在LCD驅(qū)動(dòng)中運(yùn)用的TCB8000A顯示指令中的參數(shù)，使得LCD驅(qū)動(dòng)的性能達(dá)到最優(yōu)。最終實(shí)現(xiàn)了μC／GUI在TCB8000A控制器上的無(wú)縫移植。

　　3. MRI圖像數(shù)據(jù)存取模塊

　　SD卡是Secure Digital Card卡的簡(jiǎn)稱(chēng)，直譯成漢語(yǔ)就是“安全數(shù)字卡”，是由日本松下公司、東芝公司和美國(guó)SANDISK公司共同開(kāi)發(fā)研制的全新的存儲(chǔ)卡產(chǎn)品。SD存儲(chǔ)卡是一個(gè)完全開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)（系統(tǒng)），多用于MP3、數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電子圖書(shū)、AV器材等等，尤其是被廣泛應(yīng)用在超薄數(shù)碼相機(jī)上。SD卡在外形上同MultiMedia Card卡保持一致，大小尺寸比MMC卡略厚，容量也大很多。并且兼容MMC卡接口規(guī)范。另外，SD卡為9引腳，目的是通過(guò)把傳輸方式由串行變成并行，以提高傳輸速度。它的讀寫(xiě)速度比MMC卡要快一些，同時(shí)，安全性也更高。

　　我們?yōu)榱耸瓜到y(tǒng)更具有廣泛的應(yīng)用性、兼容性，我們決定使用SD卡作為設(shè)備的主要存儲(chǔ)介質(zhì)，用于存放我們的照片、音樂(lè)、素材等重要數(shù)據(jù)。DE2上的SD讀卡裝置為1線方式，其速度受到了很大限制。我們把裝置改動(dòng)為4線方式，使其更加符合我們系統(tǒng)的要求。

　　在Nios II軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境下，包含了uc/os，可以使用戶方便的應(yīng)用到自己的軟件工程里，我們?yōu)榱烁侠硎垢魅蝿?wù)共同執(zhí)行、共享cpu，我們使用了uc/os操作系統(tǒng)，并為其加掛文件系統(tǒng)。一開(kāi)始我們選用了zlg文件系統(tǒng)，在成功移植后，我們測(cè)試了他的速度，速度不盡人意。在向sd卡讀寫(xiě)1M數(shù)據(jù)分別需要用時(shí)37sec和57sec。我們分析了它的耗時(shí)所在，一方面sd卡讀寫(xiě)模式限制，在標(biāo)準(zhǔn)的DE2開(kāi)發(fā)板上，sd卡使用的是1線讀寫(xiě)模式，其數(shù)據(jù)線只有1根，速度受到了很大的限制，我們通過(guò)修改其模式，增加數(shù)據(jù)線的方式，使sd卡的讀寫(xiě)模式改變?yōu)?線的sd模式，經(jīng)過(guò)測(cè)試，速度有了提高，分別為17sec和27sec，但是速度并不是我們假想的快到原來(lái)的四倍，這是因?yàn)榱硪环矫娴挠绊?mdash;文件系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)上網(wǎng)查詢，發(fā)現(xiàn)zlg/fs的性能不高，浪費(fèi)了很多時(shí)間，我們決定使用Micrium 公司的Uc/fs，他和uc/os有著很好的兼容性，在性能上也是得到了大眾的好評(píng)。經(jīng)過(guò)幾周的努力我們成功移植了uc/fs 1.34版本到de2平臺(tái)上，為四線模式的sd卡架起了文件系統(tǒng)。

　　經(jīng)過(guò)比較測(cè)試，讀寫(xiě)速度有了很大提高，1M數(shù)據(jù)讀寫(xiě)分別只用時(shí)3.6s和11s。這樣基本滿足了我們存取數(shù)據(jù)文件的速度要求。但是仍存在著寫(xiě)較慢的問(wèn)題，原因在于在寫(xiě)數(shù)據(jù)到sd卡的時(shí)候每一個(gè)block都需要計(jì)算16位的CRC校驗(yàn)，占用了一部分發(fā)送的時(shí)間，我們選擇采用自定義用戶指令的方式加快CRC16運(yùn)算速度，往SD卡寫(xiě)入一張MR圖像 （約1.5M）的時(shí)間從21.7S降低到15.8S。選用更高速的sd卡，還能有效的加塊寫(xiě)卡的速度。

　　SD模式時(shí)序

　　Single Block Read

　　Single Block Write