多生理参数测量系统的总体设计

    一个完整的生理参数检测系统结构可分为三部分:前端检测电路、接口部分、数据处理平台，分别完成生理信号的采集、传输和信号的处理功能，系统层次结构如图1所示。

    前端检测电路主要完成信号的采集和量化。通过连接不同的传感器，可以对不同的生理信号进行采集，包括心电信号、脉搏信号、体温等常见生理信号。采集到的生理信号经过一些放大、滤波、模数转换处理后，通过串口发送至数据处理模块进行处理，得到所需要的各种生理参数，最后进行显示或者无线传输。本文主要完成基于FPGA技术的数据处理平台的搭建。

基于FPGA技术的数据处理平台的设计

    本设计搭建的是一个以Nios II软核处理器为核心的数据处理平台，首先控制串口接收数据，并存储在相应的存储空间，经过相关的数据处理，通过控制显示外设显示相应的波形和参数。NiosⅡ是基于哈佛结构的RISC通用嵌入式处理器软核，能与用户逻辑相结合，编程至Altera的FPGA中。处理器具有32位指令集、32位数据通道和可配置的指令以及数据缓冲^[2-3]。

硬件平台的构建

    在本设计中，NiosⅡ软核处理器作为控制核心，通过连接串口、存储器件、显示外设构成基本的数据处理平台。因此搭建了如图2所示的硬件平台。

    硬件平台主要在Terasic公司的Altera DE2开发板上实现，系统的主要组件有NiosⅡ的内核、片内存储器、定时器、VGA控制器、LCD控制器等，都集成在一块Altera的Cyclone II FPGA芯片上，使用SoPC Builder来配置生成片上系统。SoPC Builder自动产生每个模块的HDL文件，同时自动产生一些必要的仲裁逻辑来协调系统中各部件的工作^[4]。

NiosⅡ软核系统的定制

    根据图2所构建的硬件平台，利用SoPC Builder定制32位NiosⅡ CPU以及参数化的Avalon接口总线，然后再通过适当增添平台中所需的元件核，以适应NiosⅡ系统功能的需求，生成如图3所示的基本定制。

软件设计

    软件部分主要是控制数据的接收、存储以及显示。在自定义IP核模块中可以设计一些数据处理的算法，如数字滤波算法、某些生理参数值的计算，包括血压值、心率等。

数据接收模块的设计

    本设计使用串口接收数据，Nios II开发中使用的UART串口模块是一个SoPC Builder组件，它包含在Nios II开发包中。在开发包中还预定义了一些关于UART的数据结构和常用的UART函数，这样可以方便地对UART进行编程。
    首先，要在SoPC Builder中对UART的参数进行设置，包括波特率、传输的数据帧格式等。当在SOPC Builder下完成系统的硬件设计时，会自动生成一个硬件抽象层(HAL)文件，作为软件和硬件的接口，同时会在excalibur.h头文件中声明UART模块的相关数据结构。软件通过外设的抽象地址映射接口接入硬件。本设计使用串口中断的方式接收数据，其流程如图4所示。

数据显示模块的设计

　　在Nios II系统中，VGA是一个外设IP核。设计中最重要的部分是VGA时序的产生，它是正常输出显示的关键，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，首先用硬件描述语言定义一个时序输出和RGB信号输出模块，点时钟25.175MHz由开发板提供的时钟经锁相环分频产生。锁相环是通过MegWizard工具加入系统的。该模块实现了VGA输出所需的点时钟、复合同步控制信号、复合消隐控制信号、行同步和场同步信号；同时也完成了从寄存器内读取输出显示命令及颜色值。其中点时钟、复合同步控制信号、复合消隐控制信号和RGB数字信号输入给ADV7123，行同步、场同步和由ADV7123转换输出的RGB模拟信号输入给VGA显示器。另外，还要用硬件描述语言实现对寄存器的读写，以使VGA控制器端口符合Avalon接口规范。
    用HDL语言编写了VGA模块的时序控制及RGB信号的输出程序，其时序仿真结果如图5所示。

数据存储模块的设计