基于可编程片上系统解决方案实现数字式心电诊监测系统的设计
1、引言
心电检测仪是医学界运用广泛的一种心电监测设备，他主要由12导联心电传感器和心电信号处理设备两部分组成，目前运用广泛的数字式心电检测仪大都是由dsp处理器外加一个单片机（mcu），通过编写复杂的并行通讯协议来完成的，这种结构虽然有较高的精度，但硬件设计复杂，软件编写烦琐，相应的开发周期长，研制成本高。
本设计采用altera公司先进的sopc（可编程片上系统）解决方案--以32位nios ii软核cpu系统取代目前数字式心电仪的dsp和mcu的双cpu结构，通过灵活的avalon总线，控制心电信号的采集、处理、回放、存储等功能，nios ii系统设计以nios ii软核为核心，将全部的接口电路集成在同一片fpga上，结构简单，同时，利用nios ii软核可在线配置的优点，通过软件编程改变fpga的内部借给即可迅速、方便地实现系统性能的扩展、设计、大大缩短了系统的开发周期，提高了性价比，该nios ii系统的结构如图1所示。
2、nios ii系统的设计
nios ii系统选用altera公司推出了新一代的、低成本的cyclone系列fpga器件ep1c6q240，该器件具有5980个逻辑单元，20个m4k ram块，92 160b的ram位和2个锁相环，最大用户i/o引脚185。利用ep1c6q240丰富的资源和altera公司的quartus ii 5.0软件开发平台，配合使用sopcbuilder和dspbuilder完成系统的硬件和软件设计。
2.1 nios ii系统的硬件设计
由12导联采集的心电信号经调理、模拟滤波处理后，经a/d转换器将数字信号送往nios ii系统，nios ii系统是整个心电诊断仪的核心部件，他主要控制着心电信号的a/d转换，数据传输和处理，以及与外设的数据通讯等功能。
2.1.1 心电仪ad转换器控制电路的设计
对于由12导联传感器采集的心电信号，通过模/数转换芯片ad574进行模/数转换，nios ii系统对ad574的转换控制电路由vhdl语言编写的ad574控制ip核实现，自定义的ip核直接加载到sopcbuiler的元件池里，nios ii软核通过avalon总线可方便地对其操作，该ip的部分设计程序如下：
一方面，ad574控制ip核根据ad574的转换时序，在nios ii的控制下，通过avalon总线实现心电信号的ad转换，另一方面，ad574控制ip核还作为数据的传输通道，将转换的数据通过avalon总线送往双口ram存储。
2.1.2 数据存储电路--双口ram的设计
由于心电信号的动态范围较大，为保证采样信号的准确性，设计时将采样频率提高到256hz，这样势必要求系统有较大的存储空间，而且要保证采集的信号及时往外送显，系统要求具有动态显示的功能，因此，设计时，利用quartus ii5.0将ep1c6q240内部的m4k ram存储块设计成存储为256bit的双口ram，采集来的数据在nios ii的控制下，送往双口ram，当ram写满256个数据后，再触发控制信号，将ram内数据送dsp模块处理，双口rom的结果如图2所示。
其中wren，rden分别是nios ii软核控制下的写使能、读使能控制信号，wraddress［3..0］，rdaddress［3..0］是分别是写地址信号和读地址信号；clock为读写控制时钟，写入的数据为data［15..0］，读出的信号为q［15..0］，设计时，我们将由ad574转换得到的12位数字信号经vhdl语言编程扩展成16位数字信号，有利于nios ii软核通过控制avalon总线，实现数字信号的处理。
2.1.3 数字信号处理电路的设计
dsp builder为是altera公司推出的高效的数字信号处理设计工具，本系统利用他设计出了256阶fir数字滤波器，滤波器的仿真结果如图3所示，nios ii系统利用此滤波器较好的完成了心电数字信号的处理。
2.1.4 nios ii软核的定制
nios ii软核cpu是nios ii系统的核心，他控制着整个心电诊仪心电信号的采集、处理与通讯过程，利用sopc builder可十分方便地定制32位nios ii cpu和参数化的avalon接口总线，然后再通过适当裁减，增添合适的元件核，以适应nios ii系统功能的需求，最后配置的内核结果如图4所示。
2.2 nios ii的软件设计
sopcbuilder的nios ii ide具有友好的操作界面，他采用文件操作的方式访问系统外设，语法简便，相应的函数丰富，使软件设计人员可根据系统硬件结构十分方便地设计系统的软件，心电诊断仪的nios ii软件设计总是要针对液晶显示屏，外部flash的编程，程序很容易实现。
3、结语
图5是某人员利用该检测仪测得的心电图，监测结果良好。
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本设计采用altera公司先进的sopc（可编程片上系统）解决方案--以32位nios ii软核cpu系统取代目前数字式心电仪的dsp和mcu的双cpu结构，通过灵活的avalon总线，控制心电信号的采集、处理、回放、存储等功能，nios ii系统设计以nios ii软核为核心，将全部的接口电路集成在同一片fpga上，结构简单，同时，利用nios ii软核可在线配置的优点，通过软件编程改变fpga的内部借给即可迅速、方便地实现系统性能的扩展、设计、大大缩短了系统的开发周期，提高了性价比，该nios ii系统的结构如图1所示。
2、nios ii系统的设计
nios ii系统选用altera公司推出了新一代的、低成本的cyclone系列fpga器件ep1c6q240，该器件具有5980个逻辑单元，20个m4k ram块，92 160b的ram位和2个锁相环，最大用户i/o引脚185。利用ep1c6q240丰富的资源和altera公司的quartus ii 5.0软件开发平台，配合使用sopcbuilder和dspbuilder完成系统的硬件和软件设计。
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由12导联采集的心电信号经调理、模拟滤波处理后，经a/d转换器将数字信号送往nios ii系统，nios ii系统是整个心电诊断仪的核心部件，他主要控制着心电信号的a/d转换，数据传输和处理，以及与外设的数据通讯等功能。
2.1.1 心电仪ad转换器控制电路的设计
对于由12导联传感器采集的心电信号，通过模/数转换芯片ad574进行模/数转换，nios ii系统对ad574的转换控制电路由vhdl语言编写的ad574控制ip核实现，自定义的ip核直接加载到sopcbuiler的元件池里，nios ii软核通过avalon总线可方便地对其操作，该ip的部分设计程序如下：
一方面，ad574控制ip核根据ad574的转换时序，在nios ii的控制下，通过avalon总线实现心电信号的ad转换，另一方面，ad574控制ip核还作为数据的传输通道，将转换的数据通过avalon总线送往双口ram存储。
2.1.2 数据存储电路--双口ram的设计
由于心电信号的动态范围较大，为保证采样信号的准确性，设计时将采样频率提高到256hz，这样势必要求系统有较大的存储空间，而且要保证采集的信号及时往外送显，系统要求具有动态显示的功能，因此，设计时，利用quartus ii5.0将ep1c6q240内部的m4k ram存储块设计成存储为256bit的双口ram，采集来的数据在nios ii的控制下，送往双口ram，当ram写满256个数据后，再触发控制信号，将ram内数据送dsp模块处理，双口rom的结果如图2所示。
其中wren，rden分别是nios ii软核控制下的写使能、读使能控制信号，wraddress［3..0］，rdaddress［3..0］是分别是写地址信号和读地址信号；clock为读写控制时钟，写入的数据为data［15..0］，读出的信号为q［15..0］，设计时，我们将由ad574转换得到的12位数字信号经vhdl语言编程扩展成16位数字信号，有利于nios ii软核通过控制avalon总线，实现数字信号的处理。
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