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深圳pcb抄板Nios软核在CT机扫描系统控制器设计

     Nios是流水线结构的RISC 软核处理器,他能选择32位架构或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。

    由图2可见,Nios软核通过AVALON总线和各扩展模块相连接。AVALON总线是专门用于Nios连接外设的一种总线结构,他具有分离的地址,数据和控制线,并提供动态动态总线宽度调整等功能。Nios软核为其主设备。
    AVALON总线上的从设备有SDRAM控制器,Flash控制器、定时器、通信接口UART控制器和CAN 控制器。在设计Nios软核的外设时,采用已有的IP核能有效缩短设计周期,同时经过充分验证的IP核也确保了设计的可靠性。本文根据需要采用了三个UART控制器作为Nios软核的外设,分别用于和上级单元通信、和数据采集系统通信和调试信息输出;还使用了CAST公司的IP 核作CAN 控制器,他支持CAN 2.0协议。
    在FPGA片内,使用了4 Kbyte的ROM,此ROM中包含了Altera提供的GERMS Monitor启动引导程式,他能实现启动引导、程式下载和基本调试功能。在调试中,通过调试串口和GERMS Monitor通信,将可执行的映象文件下载到SDRAM或FLASH中。
    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 线和他通信,电路板克隆发送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,他扫描系统控制器采用RS422总线和其通信,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。首先他和上级控制单元通信,接收指令和汇报各子系统状态,其次和各子系统通信,发送控制指令,并接收子系统的状态信息。他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,是个多任务的系统。并且对实时性需求也非常高,所有一点时序发生偏差,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,制定了基于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。