1、引言

心電檢測儀是醫學界運用廣泛的一種心電監測設備，他主要由12導聯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議來完成的，這種結構雖然有較高的精度，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）解決方案--以32位Nios II軟核CPU系統取代目前數字式心電儀的DSP和MCU的雙CPU結構，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，結構簡單，同時，利用Nios II軟核可在線配置的優點，通過軟件編程改變FPGA的內部借給即可迅速、方便地實現系統性能的擴展、設計、大大縮短了系統的開發周期，提高了性價比，該Nios II系統的結構如圖1所示。

2、Nios II系統的設計

Nios II系統選用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，最大用戶I/O引腳185。利用EP1C6Q240豐富的資源和ALTERA公司的Quartus II 5.0軟件開發平臺，配合使用SopcBuilder和Dspbuilder完成系統的硬件和軟件設計。

2.1 Nios II系統的硬件設計

由12導聯采集的心電信號經調理、模擬濾波處理后，經A/D轉換器將數字信號送往Nios II系統，Nios II系統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轉換，數據傳輸和處理，以及與外設的數據通訊等功能。

2.1.1 心電儀AD轉換器控制電路的設計

對于由12導聯傳感器采集的心電信號，通過模/數轉換芯片AD574進行模/數轉換，Nios II系統對AD574的轉換控制電路由VHDL語言編寫的AD574控制IP核實現，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AD574的轉換時序，在Nios II的控制下，通過Avalon總線實現心電信號的AD轉換，另一方面，AD574控制IP核還作為數據的傳輸通道，將轉換的數據通過Avalon總線送往雙口RAM存儲。

2.1.2 數據存儲電路--雙口RAM的設計

由于心電信號的動態范圍較大，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，系統要求具有動態顯示的功能，因此，設計時，利用Quartus II5.0將EP1C6Q240內部的M4K RAM存儲塊設計成存儲為256bit的雙口RAM，采集來的數據在Nios II的控制下，送往雙口RAM，當RAM寫滿256個數據后，再觸發控制信號，將RAM內數據送DSP模塊處理，雙口ROM的結果如圖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，寫入的數據為data［15..0］，讀出的信號為q［15..0］，設計時，我們將由AD574轉換得到的12位數字信號經VHDL語言編程擴展成16位數字信號，有利于Nios II軟核通過控制Avalon總線，實現數字信號的處理。

2.1.3 數字信號處理電路的設計

DSP Builder為是Altera公司推出的高效的數字信號處理設計工具，本系統利用他設計出了256階FIR數字濾波器，濾波器的仿真結果如圖3所示，Nios II系統利用此濾波器較好的完成了心電數字信號的處理。

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系統功能的需求，最后配置的內核結果如圖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外設，語法簡便，相應的函數豐富，使軟件設計人員可根據系統硬件結構十分方便地設計系統的軟件，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。

3、結語

圖5是某人員利用該檢測儀測得的心電圖，監測結果良好。

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