1 引言

　　基于Nios軟核的SOPC系統(tǒng)，其最大特點(diǎn)就是靈活,，可以根據(jù)自己的需要靈活改變Nios的外圍設(shè)備,，使得硬件利用效率達(dá)到最高，同時(shí)它具有ISP(In System Programmable,在系統(tǒng)編程)的功能,，可裁減，可擴(kuò)充,，可升級,。本文充分利用了Nios系統(tǒng)靈活定制的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套CT機(jī)掃描系統(tǒng)控制器,。

　　2 CT掃描系統(tǒng)控制器

　　CT機(jī)是根據(jù)不同密度和厚度的物體對X射線的吸收程度不同的原理,，通過計(jì)算機(jī)成像技術(shù)，對病人身體成像的一種醫(yī)學(xué)設(shè)備,。CT機(jī)掃描系統(tǒng)由X射線發(fā)生系統(tǒng),，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對準(zhǔn)柵三個(gè)子系統(tǒng)組成,，如圖1所示,。掃描系統(tǒng)由掃描架承載，掃描架是一個(gè)旋轉(zhuǎn)體,，掃描系統(tǒng)隨著掃描架旋轉(zhuǎn),，以獲得不同角度下的人體信息，掃描架旋轉(zhuǎn)一周所得數(shù)據(jù)可產(chǎn)生圖像,。

　　掃描系統(tǒng)的三部分中,，X射線發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生射線，掃描系統(tǒng)控制器通過CAN總線和它通信，發(fā)送X射線參數(shù)和動作指令,，同時(shí)接收X射線發(fā)生器的狀態(tài)信息,。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)對X射線采樣和傳輸數(shù)據(jù)，它掃描系統(tǒng)控制器采用RS422總線與其通信,，發(fā)送控制指令,，并接收指令執(zhí)行狀態(tài)。同時(shí)有IO接口用作采樣觸發(fā)脈沖和采樣使能,。對準(zhǔn)柵通過擋板來調(diào)節(jié)X射線的開口寬度,，擋板由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。掃描系統(tǒng)控制器接收來自上級的開口寬度指令,，然后發(fā)出控制脈沖,，控制步進(jìn)電機(jī)到達(dá)指定位置，通過編碼器接收步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號,，形成閉環(huán),。

　　CT掃描系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)三個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，為掃描系統(tǒng)中設(shè)備的通信中心和控制中心,。首先它和上級控制單元通信,，接收指令和匯報(bào)各子系統(tǒng)狀態(tài)，其次與各子系統(tǒng)通信,，發(fā)送控制指令,，并接收子系統(tǒng)的狀態(tài)信息。它根據(jù)接收到的控制指令和掃描架的位置信息,，控制對準(zhǔn)柵到達(dá)指定寬度,，產(chǎn)生控制X射線發(fā)生和采樣的時(shí)序?？梢?，CT掃描系統(tǒng)控制器包括了實(shí)時(shí)通信、電機(jī)控制,，時(shí)序控制,，是一個(gè)多任務(wù)的系統(tǒng)。并且對實(shí)時(shí)性要求也很高,，任何一點(diǎn)時(shí)序發(fā)生偏差,，都會對病人造成不必要的傷害。

　　本文使用SOPC的方式,，設(shè)計(jì)了以一片FPGA為核心的CT機(jī)掃描系統(tǒng)控制器硬件,，定制了基于Nios軟核的FPGA系統(tǒng)，然后設(shè)計(jì)了基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Nucleus的應(yīng)用軟件,，實(shí)現(xiàn)了CT機(jī)掃描系統(tǒng)控制器的上述功能,。

　　3 基于Nios的硬件設(shè)計(jì)

　　本文使用了Altera 公司的FPGA Cyclone EP1C20,，它擁有充足的可編程資源來實(shí)現(xiàn)SOPC。因?yàn)橄到y(tǒng)所有功能均由FPGA實(shí)現(xiàn),，硬件電路除FPGA外只需加上存儲器件和一些物理層接口芯片即可,。本文使用了一片8M Byte FLASH、一片16M Byte SDRAM,，CAN總線收發(fā)器和RS422總線收發(fā)器等作為FPGA的外圍設(shè)備,，硬件電路的結(jié)構(gòu)簡單明了，提高了系統(tǒng)的可靠性,。FPGA系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鐘為50MHz,，保證了系統(tǒng)的運(yùn)算速度。

　　通過Altera的SOPC Builder軟件包可以定制基于Nios軟核的FPGA系統(tǒng),，它提供了一些基本的Nios外設(shè)模塊,，如UART控制器、定時(shí)器,、FLASH控制器,、SDRAM控制器等。本文設(shè)計(jì)的CT掃描系統(tǒng)控制器FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

　　Nios是流水線結(jié)構(gòu)的RISC 軟核處理器,，它可以選擇32位架構(gòu)或者16位架構(gòu)。本文使用32位架構(gòu),，并在SOPC Builder中設(shè)置了4K Byte數(shù)據(jù)緩存和指令緩存,，以節(jié)省CPU讀取數(shù)據(jù)和指令的時(shí)間，提高系統(tǒng)性能,。

　　由圖2可見,，Nios軟核通過AVALON總線與各擴(kuò)展模塊相連接。AVALON總線是專門用于Nios連接外設(shè)的一種總線結(jié)構(gòu),，它具有分離的地址，數(shù)據(jù)和控制線,，并提供動態(tài)動態(tài)總線寬度調(diào)整等功能,。Nios軟核為其主設(shè)備。

　　AVALON總線上的從設(shè)備有SDRAM控制器,，F(xiàn)lash控制器,、定時(shí)器、通信接口UART控制器和CAN 控制器,。在設(shè)計(jì)Nios軟核的外設(shè)時(shí),，采用已有的IP核能有效縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí)經(jīng)過充分驗(yàn)證的IP核也保證了設(shè)計(jì)的可靠性,。本文根據(jù)需要采用了三個(gè)UART控制器作為Nios軟核的外設(shè),，分別用于與上級單元通信、與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信和調(diào)試信息輸出；還使用了CAST公司的IP 核作CAN 控制器,，它支持CAN 2.0協(xié)議,。

　　在FPGA片內(nèi)，使用了4 Kbyte的ROM,，此ROM中包含了Altera提供的GERMS Monitor啟動引導(dǎo)程序,，它可以實(shí)現(xiàn)啟動引導(dǎo)、程序下載和基本調(diào)試功能,。在調(diào)試中,，通過調(diào)試串口和GERMS Monitor通信，將可執(zhí)行的映象文件下載到SDRAM或FLASH中,。

　　另外,，本文根據(jù)應(yīng)用的特殊要求設(shè)計(jì)了自定義模塊——掃描時(shí)序控制模塊和步進(jìn)電機(jī)控制模塊。在SOPC系統(tǒng)中,，更容易選擇系統(tǒng)功能是由運(yùn)行于Nios中的軟件實(shí)現(xiàn),，還是使用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，由此可以均衡系統(tǒng)軟硬件的功能,，使效率達(dá)到最高,。系統(tǒng)功

      能用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)的并行處理，實(shí)時(shí)響應(yīng)非?？?；而用處理器軟件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢在于通訊和復(fù)雜情況的判斷等。本文中為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,，將步進(jìn)電機(jī)控制在FPGA中實(shí)現(xiàn),。步進(jìn)電機(jī)控制FPGA模塊如圖3所示。

       圖3右邊為AVALON總線接口,，由片選,，地址線、數(shù)據(jù)線,、讀寫使能和中斷信號組成,。左邊為FPGA的輸出，即與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接口：DIR為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方向控制,，Pulse為步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖,，HOFF為保持信號。

       下方三個(gè)信號為編碼器的反饋信號,，分別是A相脈沖,、B相脈沖和初始位置信號。步進(jìn)電機(jī)控制模塊接收Nios通過AVALON總線發(fā)送來的目標(biāo)位置信息,，然后根據(jù)當(dāng)前位置及目標(biāo)位置,，得到到達(dá)目標(biāo)所需的步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù),，發(fā)出相應(yīng)的脈沖。同時(shí),，根據(jù)反饋的編碼器信號,，解碼得到電機(jī)當(dāng)前位置信息，并判斷步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動是否達(dá)到目標(biāo)位置,，控制任務(wù)是否完成,。然后產(chǎn)生中斷，通知Nios軟核任務(wù)完成情況,?？梢娺\(yùn)行于Nios中的軟件只需將目標(biāo)位置通知電機(jī)控制模塊即可，大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān),。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　由前文可以看出,，掃描系統(tǒng)控制器需要完成多項(xiàng)功能，軟件體系復(fù)雜,，而且通信,、掃描控制、電機(jī)控制等環(huán)節(jié)要求很高的實(shí)時(shí)和并發(fā)性,。在這種情況下,，采用傳統(tǒng)的基于前后臺的嵌入式軟件設(shè)計(jì)方法將存在很大的困難，軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，工作量大,，且開發(fā)周期長，功能擴(kuò)展受限,。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)提供了良好的開發(fā)平臺,，承擔(dān)起系統(tǒng)資源管理的責(zé)任。這樣就簡化了應(yīng)用程序設(shè)計(jì),，保障了軟件質(zhì)量,，縮短了開發(fā)周期。本文采用了ATI公司開發(fā)的Nucleus操作系統(tǒng),，Nucleus是一個(gè)搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核,，具有源代碼開放、性價(jià)比高,、功能模塊豐富等優(yōu)點(diǎn)。

　　本文中,，軟件結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)結(jié)構(gòu)層次,，最底層為硬件抽象層，主要由Nios軟核外設(shè)驅(qū)動程序中斷服務(wù)程序以及板級初始化程序組成,，外設(shè)驅(qū)動程序包括UART控制器, CAN控制器, 步進(jìn)電機(jī)控制模塊,，掃描控制模塊的驅(qū)動程序,，此部分是操作系統(tǒng)與底層硬件的接口。第二層為Nucleus操作系統(tǒng)內(nèi)核及其服務(wù),，它提供任務(wù)調(diào)度,，中斷管理，內(nèi)存管理,、定時(shí)控制等服務(wù),。最高層為應(yīng)用軟件層，運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上,，完成所有的應(yīng)用功能,。根據(jù)系統(tǒng)功能，應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示:

　　系統(tǒng)管理單元是系統(tǒng)工作的核心,，包括兩個(gè)任務(wù)：命令解析任務(wù)和系統(tǒng)狀態(tài)控制任務(wù),。命令解析任務(wù)接收上級控制單元指令，將其解析為各個(gè)子系統(tǒng)需要完成的任務(wù)目標(biāo),，并發(fā)送給各個(gè)子系統(tǒng)控制單元,。子系統(tǒng)控制單元控制子系統(tǒng)完成指令。系統(tǒng)狀態(tài)控制任務(wù)是一個(gè)狀態(tài)機(jī),，控制著CT掃描系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),。它根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)和上級指令，判斷系統(tǒng)的目標(biāo)動作,，控制掃描時(shí)序,，同時(shí)和各子系統(tǒng)管理單元通信，同步各子系統(tǒng)管理單的任務(wù)執(zhí)行,，并將各子系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)送給上級控制單元,。本文采用信號量和事件的手段同步各任務(wù)。

　　數(shù)據(jù)采集管理單元是控制器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接口,，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的初始化,、數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控和對其錯(cuò)誤狀態(tài)進(jìn)行處理,。這部程序分包括串口通訊接收任務(wù)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)管理任務(wù),。

　　由前文可知步進(jìn)電機(jī)控制功能由FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，因此對準(zhǔn)柵管理單元的工作變得十分簡單,，它從系統(tǒng)狀態(tài)控制部分接收對準(zhǔn)柵開口寬度,，將其傳遞給步進(jìn)電機(jī)控制模塊，然后通過步進(jìn)電機(jī)控制模塊的中斷服務(wù)程序,，監(jiān)控任務(wù)完成情況,。

　　與數(shù)據(jù)采集控制類似，射線發(fā)生器控制部分負(fù)責(zé)射線發(fā)生器的初始化,、射線參數(shù)設(shè)置,、監(jiān)控射線發(fā)生器狀態(tài)和異常情況處理,。它包括一個(gè)射線發(fā)生控制任務(wù)和CAN通訊處理任務(wù)。射線發(fā)生控制任務(wù)負(fù)責(zé)完成射線發(fā)生器的參數(shù)管理和狀態(tài)監(jiān)控,，CAN通訊任務(wù)完成CAN總線數(shù)據(jù)的收發(fā)功能,。

　　上述任務(wù)均為事件驅(qū)動方式，在系統(tǒng)不工作時(shí),，Nios處理器處于空閑狀態(tài),，這樣可以降低系統(tǒng)功耗。任務(wù)間通訊采用管道(Pipe)的方式,，管道的優(yōu)點(diǎn)是可以傳輸變長的數(shù)據(jù),。CT掃描系統(tǒng)控制器需要接收系統(tǒng)配置、掃描,、故障診斷等不同長度的上級控制指令,，所以在命令解析任務(wù)與通信接口任務(wù)之間采用管道進(jìn)行通訊，另一方面命令解析任務(wù)向各子系統(tǒng)控制任務(wù)發(fā)送的指令長度也是不確定的,，所以與三個(gè)子系統(tǒng)管理單元通訊也采用管道的方式,。

　　合理的配置任務(wù)優(yōu)先級是嵌入式系統(tǒng)軟件可靠工作的必要條件。本文中,，任務(wù)的根據(jù)重要程度可分為三個(gè)層次：首先是系統(tǒng)狀態(tài)控制,，它是系統(tǒng)運(yùn)行的中樞，同時(shí)控制著掃描時(shí)序,，必須保證狀態(tài)控制任務(wù)的暢通運(yùn)行,，因此它具有最高優(yōu)先級設(shè)為1。其次是與上級控制單元的接口,，包括串口通信任務(wù)和命令解析任務(wù),，控制器必須準(zhǔn)確的接收上級單元的命令并及時(shí)反饋，所以這兩個(gè)任務(wù)優(yōu)先級設(shè)為2,。最后是各子系統(tǒng)管理任務(wù),，其中射線管理單元如果誤操作，可能對人員造成損害,，所以它的兩個(gè)任務(wù)優(yōu)先級較高,，設(shè)為3，其余子系統(tǒng)管理單元任務(wù)較低均設(shè)為4,。

        本文的應(yīng)用軟件使用GNU交叉編譯器編譯,，然后經(jīng)ATI公司的Codelab軟件調(diào)試通過。

　　5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　為驗(yàn)證調(diào)試CT掃描系統(tǒng)控制器,，搭建了測試平臺,。測試平臺由一臺PC機(jī)、CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和對準(zhǔn)柵組成，其中PC機(jī)模擬CT掃描系統(tǒng)控制器的上級單元和 X射線發(fā)生系統(tǒng),。

　　通過監(jiān)聽與上下級控制單元的通訊，測量對準(zhǔn)柵的開口寬度,，測量控制器輸出的數(shù)據(jù)采集和射線發(fā)生控制信號波形,，證明，本文設(shè)計(jì)的CT掃描系統(tǒng)控制器能夠滿足多任務(wù)實(shí)時(shí)處理的要求,。

　　6 結(jié)論

　　本文采用SOPC方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多任務(wù),，實(shí)時(shí)響應(yīng)的CT掃描系統(tǒng)控制器。硬件設(shè)計(jì)以Nios軟核和FPGA為核心,，充分利用SOPC系統(tǒng)的靈活定制的特點(diǎn),，簡化了電路結(jié)構(gòu)，縮短了設(shè)計(jì)周期,，減輕了處理器運(yùn)算負(fù)擔(dān),。同時(shí)基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Nucleus的結(jié)構(gòu)化、層次化應(yīng)用程序設(shè)計(jì),，保證了系統(tǒng)的軟件質(zhì)量和實(shí)時(shí)性,。試驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的CT機(jī)掃描系統(tǒng)控制器滿足多任務(wù)實(shí)時(shí)處理的要求,。

　　本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：使用基于Nios軟核和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)多任務(wù)控制系統(tǒng),，充分利用了Nios軟核靈活定制的特點(diǎn)，使用硬件加速的方式減輕了處理器負(fù)擔(dān),，保證了系統(tǒng)性能,。