Nios II系統(tǒng)在數(shù)字式心電診監(jiān)測設備中的應用

1 引言

心電檢測儀是醫(yī)學界運用廣泛的一種心電監(jiān)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(shù)字式心電檢測儀大都是由dsp處理器外加一個單片機（mcu），通過編寫復雜的并行通訊協(xié)議來完成的，這種結(jié)構(gòu)雖然有較高的精度，但硬件設計復雜，軟件編寫煩瑣，相應的開發(fā)周期長，研制成本高。

本設計采用altera公司先進的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(jié)構(gòu)簡單，同時，利用nios ii軟核可在線配置的優(yōu)點，通過軟件編程改變fpga的內(nèi)部借給即可迅速、方便地實現(xiàn)系統(tǒng)性能的擴展、設計、大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了性價比，該nios ii系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 nios ii系統(tǒng)的設計

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個邏輯單元，20個m4k ram塊，92 160b的ram位和2個鎖相環(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)的硬件和軟件設計。

2.1 nios ii系統(tǒng)的硬件設計

由12導聯(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)換器控制電路的設計

對于由12導聯(lián)傳感器采集的心電信號，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ad574進行模/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的部分設計程序如下：


一方面，ad574控制ip核根據(jù)ad574的轉(zhuǎn)換時序，在nios ii的控制下，通過avalon總線實現(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的設計

由于心電信號的動態(tài)范圍較大，為保證采樣信號的準確性，設計時將采樣頻率提高到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往外送顯，系統(tǒng)要求具有動態(tài)顯示的功能，因此，設計時，利用quartus ii5.0將ep1c6q240內(nèi)部的m4k ram存儲塊設計成存儲為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ram寫滿256個數(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為讀寫控制時鐘，寫入的數(shù)據(jù)為data[15..0]，讀出的信號為q[15..0]，設計時，我們將由ad574轉(zhuǎn)換得到的12位數(shù)字信號經(jīng)vhdl語言編程擴展成16位數(shù)字信號，有利于nios ii軟核通過控制avalon總線，實現(xiàn)數(shù)字信號的處理。

2.1.3 數(shù)字信號處理電路的設計

dsp builder為是altera公司推出的高效的數(shù)字信號處理設計工具，本系統(tǒng)利用他設計出了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，然后再通過適當裁減，增添合適的元件核，以適應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問系統(tǒng)外設，語法簡便，相應的函數(shù)豐富，使軟件設計人員可根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)十分方便地設計系統(tǒng)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。