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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