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标题: 全新片上可编程系统（SOPC）多参监护仪专用主控板简介 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 19:15
标题: 全新片上可编程系统（SOPC）多参监护仪专用主控板简介
多参监护仪主控板是多参监护仪执行信息处理的核心部件，主要解决临床生理信息的传输、存储、显示、交换和信息数据的组合加工。特别是数字化医院的发展，HIS、CIS 系统的建立和普遍使用，使得多参监护仪不仅是一个生理参数的显示和记录终端，而且正成为医疗单位信息系统中必不可少的一个重要的临床、生理信息平台。它的许多技术指标直接体现了多参监护仪整机的重要技术性能指标。在多参监护仪市场竞争日趋激烈的今天，选择一款技术既先进，性能价格比又高的主控板，无疑可以大大提高它的市场竞争力。

　　一、目前国内多参监护仪主控板的现状：

　　目前我国大多数主流厂商已基本上不再使用常规工控主板，而开始改用专门的所谓ARM 主控板。ARM 主控板中的核心部件ARM 芯片，其实是一种通用配置的片上系统（System On Chip,简称SOC）芯片，是由ARM 芯片开发商根据应用系统的通用配置制作的ASIC 芯片。这种通用配置的芯片无法直接满足象多参监护仪这样一些有着特殊要求的应用领域。如：实时滚屏显示；多串口的实时响应；有线、无线信息通信接口多样化；多种显示接口以及对多种TFT 显屏兼容性的要求等。

　　为了弥补ARM 芯片无法完成的这些特殊功能，目前一般采用在ARM 芯片外围加接专用IC 和FPGA 芯片，在FPGA 芯片中烧入各种硬件电路，配合专用IC 芯片，在PCB 板上以“打补丁”的方式实现上述特殊功能。采用这种方法虽然在某种程度上可以勉强解决一些问题，但在生产和调试的具体实施上存在较大技术难度，而且存在费用较高、灵活性差和不易更新换代等缺点。更重要的是这些在PCB 板上通过“打补丁”补上去的电路，不属于ARM 微处理器系统的一部分，无法受ARM 微处理器的指令控制，使这些“补丁”电路无法实现智能化，更无法与系统其它资源相兼容，结果导致系统整体的智能化程度大大降低。直接影响了产品的质量和功能的提升。

　　目前多参监护仪产品经过几十年的发展，市场竞争已十分激烈，为保持竞争中的优势，以求在产品市场中占有自己的一席之地，就必须不断采用新的技术，加快企业产品的技术更新速度。过去一般产品10 年更新换代，现在3 到5 年就要更新了。产品智能化程度的高低和新产品更新速度的快慢，已经成为衡量一个企业是否具有市场竞争优势的重要标志。

　　二、片上可编程系统（SOPC）介绍

　　当今电子系统的设计已不再是利用各种通用IC 进行PCB 板级的设计和调试，而是转向以大规模ASIC 为物理载体的系统芯片的设计，简称SOC（System On Chip）,或者转向以大规模FPGA 为物理载体的系统芯片的设计，称为可编程片上系统,简称SOPC（System On Programmable Chip）.

　　另一方面，由于近年来集成电路工艺的成熟和EDA 工具的迅速发展，使得电子系统设计者并不需要过多地关注半导体集成工艺，完全可以利用现有的成熟工艺，在EDA 工具的帮助下完成整个系统的全部设计，并最终或者委托IC 制造商进行ASIC 生产，或者直接在FPGA 上实现。

　　构建SOPC 和SOC 的共同特点是，在不同的目标物理载体内都以软核IP（Intellectual Property Core）作为基本构件。它们都以硬件描述语言为主要设计手段，借助于以计算机为平台的EDA 工具进行。专用SOPC 芯片设计技术主要是指面向单片专用SOC 芯片设计技术的计算机技术，与通用SOC 芯片设计技术相比，其特点有：

　　设计全程，包括电路系统描述、硬件设计、仿真测试、综合、调试、系统软件设计，直至整个系统的完成，都由计算机进行。
　　设计技术直接面向用户，即专用集成电路的被动使用者同时也可能是专用集成电路的主动设计者。
　　系统级专用集成电路的实现有了更多的途径，即除传统的ASIC 器件外，还能通过大规模FPGA 等可编程器件来实现。

　　三、XJ-SOPC-104 多参监护仪专用主控板的技术特点

　　为赶超世界先进水平，更多更快地设计生产出性能更加优越的产品，我们采用了上述FPGA嵌入软核IP的SOPC新技术，开发出了与以往完全不同的，新型的多参监护仪专用主控板，即“XJ-SOPC-104多参监护仪专用工业控制板”。该工控板的核心器件FPGA承载了该板的SOPC，是以嵌入式系统结构为基础，集软硬件于一体的专用系统级芯片。多参监护仪主控板的所有特殊功能要求，都可以出色地由SOPC中的硬件和软件协同完成。具有技术先进、各项专用技术指标先进、智能化程度高、性能稳定可靠、功耗低、易于加工生产以及具有较高的性能价格比等优点。

（一） XJ-SOPC-104 多参监护仪专用主控板的特殊技术要求

　　XJ-SOPC-104 多参监护仪主控板的SOPC 内，除了具有ARM 芯片所具有的基本硬件，如：CPU 微处理器、内外总线结构、SDRAM 存储器驱动、FLASH 存储器驱动、网络驱动等标准的软核IP Core 外，还需要一些特殊的软核IP Core，以便完成某些特殊要求：

　　能实现12 踪迹的心电波形在800X600 屏幕上的高速滚屏显示；
　　能静态和动态地同屏独立显示相关参数信息；
　　能通过调整相关参数，使系统能适应各种规格显示屏；
　　能够提供多个拥有独立中断源的独立UART 串口；

　　ARM 芯片属于通用配置SOC，其中的LCD 显示驱动，无法直接实现上述特殊要求。该芯片只配置2 个硬件UART 串口，同样无法满足多个独立UART 串口的要求。

　　采用SOPC 技术可以完美地解决这些特殊的技术要求。

　　（二）XJ-SOPC-104 多参监护仪专用主控板技术要求的实现

　　为实现上述要求，在多参监护仪SOPC 主控系统的设计中，采用了Altera公司的SOPC 硬件开发工具平台（SOPC Builer 和Quartus II）和软件开发调试工具平台(NIOSII IDE)。采用了如下技术措施：

　　1、利用这两个平台所提供的免费软核IP Core 元件库和相应的底层支持软件，完成了工控板的通用硬件配置。如下：

　　1 1 个NIOSII/f 微处理器IP Core（处理速度可达78DMIPS）；2 SDRAM 驱动1 个（16MByte）；3 FLASH 驱动1 个（8MByte）；4 网络驱动1 个（10M）；5 I2C 驱动2 个；6 直流蜂鸣器驱动2 个；7 UART 串口驱动6 个（RS-232）；8 打印机并口驱动1 个（19 针）；9 LED 显示驱动6 个；10 纽扣按键驱动7 个；这些配置硬件均有完整的底层API 接口和C 语言调用函数供应用系统调用。根据应用系统的需要，可借助软核IP Core 元件库酌情增减这些配置硬件。

　　2、为解决对LCD 控制器的特殊问题，采取了如下措施：

　　1 在SOPC 中加入用硬件描述语言编写的专用LCD 显示驱动软核IP Core元件。该IP Core 具有三个独立显示层，每层都有各自独立的缓存空间和大小位置可变的独立显示窗口。具体参数：1 个16bit 显示层，用于心电波形的显示；3 个8bit 显示层，用于其它多参信息的显示。4 层可同时显示不同的资料，互不干扰。可实现800X600 分辨率显示的TFT 和VGA 两个驱动接口，且行场参数软件可调。

　　2 在SOPC 中加入用硬件描述语言编写的专用高速硬件画线软核IPCore。以实现在外部缓存中高速画线。

　　3 在SOPC 中加入用硬件描述语言编写的专用CPU 硬件指令，以提高CPU处理特殊任务的能力。

　　4 根据心电数据流信息压缩、曲线拟合和波形滚屏显示的原理，在上述专用硬件基础上，硬软结合编写出C 语言信息处理程序。

　　经过上述技术处理后，该SOPC 多参监护仪专用工业控制板系统在uC/OSII 操作系统C++语言下运行，对来自串口的标准5 导联心电信号流（12位）进行检测，可以做到：在800X600 显屏上同时显示12 条波形的条件下，最高滚屏速度可达100 毫米/ 每秒，且CPU 使用率只占35% 。

　　四、XJ-SOPC-104 多参监护仪专控板是划时代的电子产品

SOPC多参监护仪专控板的最大技术优越性还在于该板具有非常强的可塑性。可以根据不同用户的要求，在不改变或较少改变原PCB板的情况下，以最少的资金投入和最快的速度，就可重新组建系统的硬、软件结构，大大提升现有产品的技术性能。例如：

　　1 可通过在现有SOPC中加入多个CUP软核，组成多核SOPC系统，就可成倍提高系统整体性能。

　　2 可以在SOPC中嵌入各种DSP软核，以满足对各种信息处理的要求。

　　3 可利用FPGA在系统可配置（ISP）的特性，在系统运行的工作中，对FPGA进行不同的系统重配置，达到改变系统结构以适应不同要求。例如：当选择使系统进入临床信息系统（CIS）时，FPGA就被重配置为网络信息系统；而当选择使系统进入临床监护系统（CMS）时，FPGA就被重配置为多参监护系统。这一切都是在应用系统正常工作时进行的改变。这是目前任何一种电子应用系统都无法做到的。SOPC 的出现使电子应用系统设计师希望摆脱各种IC 芯片的束缚和限制，随心所欲地直接构建芯片级应用系统的愿望得以实现。这是具有划时代意义的新技术革命。相信随着这款XJ-SOPC-104 多参监护仪专控板的推广和使用，必将会有越来越多的研发团队掌握SOPC 开发技术，为越来越多的企业创造更大的辉煌。

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