基于Nios软核的CT机扫描系统控制器设计

　近年来，可编程逻辑器件的发展，使得SOPC (System On A Programmable Chip，可编程片上系统)成为可能, 即在一块可编程芯片上实现整个系统。Nios是Altera公司开发的可用于SOPC设计的处理器软核。

　   1 引言

　　基于Nios软核的SOPC系统，其最大特点就是灵活，可以根据自己的需要灵活改变Nios的外围设备，使得硬件利用效率达到最高，同时它具有ISP(In System Programmable,在系统编程)的功能，可裁减，可扩充，可升级。本文充分利用了Nios系统灵活定制的优点，设计实现了一套CT机扫描系统控制器。

　　2 CT扫描系统控制器

　　CT机是根据不同密度和厚度的物体对X射线的吸收程度不同的原理，通过计算机成像技术，对病人身体成像的一种医学设备。CT机扫描系统由X射线发生系统，数据采集系统，对准栅三个子系统组成，如图1所示。扫描系统由扫描架承载，扫描架是一个旋转体，扫描系统随着扫描架旋转，以获得不同角度下的人体信息，扫描架旋转一周所得数据可产生图像。

　　扫描系统的三部分中，X射线发生系统产生射线，扫描系统控制器通过CAN总 
线和它通信，发送X射线参数和动作指令，同时接收X射线发生器的状态信息。数据采集系统负责对X射线采样和传输数据，它扫描系统控制器采用RS422总线与其通信，发送控制指令，并接收指令执行状态。同时有IO接口用作采样触发脉冲和采样使能。对准栅通过挡板来调节X射线的开口宽度，挡板由一个步进电机驱动。扫描系统控制器接收来自上级的开口宽度指令，然后发出控制脉冲，控制步进电机到达指定位置，通过编码器接收步进电机转子位置信号，形成闭环。

　　CT扫描系统控制器负责三个子系统的协调控制，为扫描系统中设备的通信中心和控制中心。首先它和上级控制单元通信，接收指令和汇报各子系统状态，其次与各子系统通信，发送控制指令，并接收子系统的状态信息。它根据接收到的控制指令和扫描架的位置信息，控制对准栅到达指定宽度，产生控制X射线发生和采样的时序。可见，CT扫描系统控制器包括了实时通信、电机控制，时序控制，是一个多任务的系统。并且对实时性要求也很高，任何一点时序发生偏差，都会对病人造成不必要的伤害。

　　本文使用SOPC的方式，设计了以一片FPGA为核心的CT机扫描系统控制器硬件，定制了基于Nios软核的FPGA系统，然后设计了基于实时操作系统Nucleus的应用软件，实现了CT机扫描系统控制器的上述功能。

　　3 基于Nios的硬件设计

　　本文使用了Altera 公司的FPGA Cyclone EP1C20，它拥有充足的可编程资源来实现SOPC。因为系统所有功能均由FPGA实现，硬件电路除FPGA外只需加上器件和一些物理层接口芯片即可。本文使用了一片8M Byte FLASH、一片16M Byte SDRAM，CAN总线收发器和RS422总线收发器等作为FPGA的外围设备，硬件电路的结构简单明了，提高了系统的可靠性。FPGA系统运行时钟为50MHz，保证了系统的运算速度。

　　通过Altera的SOPC Builder软件包可以定制基于Nios软核的FPGA系统，它提供了一些基本的Nios外设模块，如UART控制器、定时器、FLASH控制器、SDRAM控制器等。本文设计的CT扫描系统控制器FPGA内部结构如图2所示。

　　Nios是流水线结构的RISC 软核处理器，它可以选择32位架构或者16位架构。本文使用32位架构，并在SOPC Builder中设置了4K Byte数据缓存和指令缓存，以节省CPU读取数据和指令的时间，提高系统性能。

[1]   

【责编:Luzi】

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