来源：微计算机信息 作者：刘宇飞 郭宏

    摘要 ct 扫描系统控制器是一个实时多任务控制中心，它需要完成实时通信、步进电机控制、数据采集控制、扫描时序控制等复杂功能。本文基于nios软核技术，设计完成了ct机扫描系统控制器，包括以一片fpga为核心的sopc系统硬件和基于嵌入式实时操作系统nucleus的应用软件。

    关键词 sopc nios软核 多任务 实时系统

    1 引言

    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。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，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