电路板克隆Nios软核在CT机扫描系统控制器设计

    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。

    本文使用了Altera 公司的FPGA Cyclone EP1C20，他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外只需加上存储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，确保了系统的运算速度。

    通过Altera的SOPC Builder软件包能制定基于Nios软核的FPGA系统，他提供了一些基本的Nios外设模块，如UART控制器、定时器、Flash控制器、SDRAM控制器等。

    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，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。pcb抄板同时有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。