本文主要搭建一個多生理參數測量系統的數據處理平臺，在FPGA中嵌入一個32位Nios II軟核處理器，用于控制數據的傳輸、存儲及顯示。主要完成了此數據處理平臺硬件系統的定制及編寫相應程序，以控制數據的采集、存儲及顯示。

　　采用Nios II處理器為核心進行設計，可以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的內部結構即可迅速、方便地實現系統性能的擴展、升級，大大縮短了系統的開發周期，提高了性價比。

　　多生理參數測量系統的總體設計

　　一個完整的生理參數檢測系統結構可分為三部分:前端檢測電路、接口部分、數據處理平臺，分別完成生理信號的采集、傳輸和信號的處理功能，系統層次結構如圖1所示。

　　前端檢測電路主要完成信號的采集和量化。通過連接不同的傳感器，可以對不同的生理信號進行采集，包括心電信號、脈搏信號、體溫等常見生理信號。采集到的生理信號經過一些放大、濾波、模數轉換處理后，通過串口發送至數據處理模塊進行處理，得到所需要的各種生理參數，最后進行顯示或者無線傳輸。本文主要完成基于FPGA技術的數據處理平臺的搭建。

　　基于FPGA技術的數據處理平臺的設計

　　本設計搭建的是一個以Nios II軟核處理器為核心的數據處理平臺，首先控制串口接收數據，并存儲在相應的存儲空間，經過相關的數據處理，通過控制顯示外設顯示相應的波形和參數。NiosⅡ是基于哈佛結構的RISC通用嵌入式處理器軟核，能與用戶邏輯相結合，編程至Altera的FPGA中。處理器具有32位指令集、32位數據通道和可配置的指令以及數據緩沖[2-3]。

　　硬件平臺的構建

　　在本設計中，NiosⅡ軟核處理器作為控制核心，通過連接串口、存儲器件、顯示外設構成基本的數據處理平臺。因此搭建了如圖2所示的硬件平臺。

　　硬件平臺主要在Terasic公司的Altera DE2開發板上實現，系統的主要組件有NiosⅡ的內核、片內存儲器、定時器、VGA控制器、LCD控制器等，都集成在一塊Altera的Cyclone II FPGA芯片上，使用SoPC Builder來配置生成片上系統。SoPC Builder自動產生每個模塊的HDL文件，同時自動產生一些必要的仲裁邏輯來協調系統中各部件的工作[4]。

　　NiosⅡ軟核系統的定制

　　根據圖2所構建的硬件平臺，利用SoPC Builder定制32位NiosⅡ CPU以及參數化的Avalon接口總線，然后再通過適當增添平臺中所需的元件核，以適應NiosⅡ系統功能的需求，生成如圖3所示的基本定制。

　　軟件設計

　　軟件部分主要是控制數據的接收、存儲以及顯示。在自定義IP核模塊中可以設計一些數據處理的算法，如數字濾波算法、某些生理參數值的計算，包括血壓值、心率等。

　　數據接收模塊的設計

　　本設計使用串口接收數據，Nios II開發中使用的UART串口模塊是一個SoPC Builder組件，它包含在Nios II開發包中。在開發包中還預定義了一些關于UART的數據結構和常用的UART函數，這樣可以方便地對UART進行編程。

　　首先，要在SoPC Builder中對UART的參數進行設置，包括波特率、傳輸的數據幀格式等。當在SOPC Builder下完成系統的硬件設計時，會自動生成一個硬件抽象層(HAL)文件，作為軟件和硬件的接口，同時會在excalibur.h頭文件中聲明UART模塊的相關數據結構。軟件通過外設的抽象地址映射接口接入硬件。本設計使用串口中斷的方式接收數據，其流程如圖4所示。

　　數據顯示模塊的設計

　　在Nios II系統中，VGA是一個外設IP核。設計中最重要的部分是VGA時序的產生，它是正常輸出顯示的關鍵，包含在VGA控制器中。VGA控制器是用SoPC Builder中的interface to user logic生成的，首先用硬件描述語言定義一個時序輸出和RGB信號輸出模塊，點時鐘25.175MHz由開發板提供的時鐘經鎖相環分頻產生。鎖相環是通過MegWizard工具加入系統的。該模塊實現了VGA輸出所需的點時鐘、復合同步控制信號、復合消隱控制信號、行同步和場同步信號;同時也完成了從寄存器內讀取輸出顯示命令及顏色值。其中點時鐘、復合同步控制信號、復合消隱控制信號和RGB數字信號輸入給ADV7123，行同步、場同步和由ADV7123轉換輸出的RGB模擬信號輸入給VGA顯示器。另外，還要用硬件描述語言實現對寄存器的讀寫，以使VGA控制器端口符合Avalon接口規范。

　　用HDL語言編寫了VGA模塊的時序控制及RGB信號的輸出程序，其時序仿真結果如圖5所示。

　　數據存儲模塊的設計

　　本設計所用的開發板上提供了豐富的存儲資源，包括8MB的SDRAM、512KB的SRAM、4MB的Flash，另外還有SD卡接口，通用的GPIO接口也可以方便地連接片外擴展的存儲芯片。

　　本文主要設計了以Nios II軟核處理器為核心的數據處理平臺。在以后的設計中，可以進一步研究數據處理的算法，包括信號的數字濾波、參數的數值計算等。

　　基于極其靈活的Nios II處理器的數據處理平臺可以根據不同醫院、社區和家庭的需要,通過選擇不同的前端數據采集模塊和相應的數據處理算法進行快速的配置和升級。同時可以通過網絡連接,實現遠程醫療和信息共享。在現代醫療儀器的設計中采用現場可編程門陣列實現，將顯著縮短開發周期，減少設計風險，降低成本，提高產品的可靠性、靈活性，并實現模塊化、微型化。