基于Nios II的MRI脊柱圖像分割系統(tǒng)

      1. 系統(tǒng)硬件設計

　　SOPC Builder設置如下圖

　　Quartus II 軟件下模塊示意圖如下

　　系統(tǒng)實物圖片：

　　2. 實現(xiàn)步驟及實現(xiàn)方法

　　1. LCD圖像顯示及人機交互模塊

　　(1) LCD及鼠標硬件部分

　　LCD控制器芯片采用TCB8000C，控制5.7寸TFT65000色LCD顯示屏?？刂破鹘涌谂cMCU接口圖如下，通過編寫了硬件程序以Avalon總線從設備的方式連接到Avalon總線上，實現(xiàn) Nios直接訪問LCD控制器的功能，利于驅動程序編寫，簡化后續(xù)的GUI移植中有關LCD驅動部分。

　　系統(tǒng)采用ＰＳ／２接口鼠標，ＰＳ／２鼠標接口采用一種雙向同步串行協(xié)議。即每在時鐘線上發(fā)一個脈沖，就在數(shù)據(jù)線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)。與nios的連接仍然采用verilog語言編寫Avolon從設備，實現(xiàn)ＰＳ／２鼠標的傳輸協(xié)議。程序包括mouse_avalon_interFace.v，mouse_register_file.v ， ps2_mouse_interface.v 。其中mouse_avalon_interface.v 是avalon總線從設備接口，mouse_register_file.v，ps2_mouse_interface.v完成ＰＳ／２鼠標協(xié)議的數(shù)據(jù)轉換和傳輸。編寫對應的GUI下的驅動程序，實現(xiàn)GUI的鼠標操作功能。

　　(2) μc/gui移植

　　μC／GUI是一款針對嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)秀圖形軟件，它具有源碼公開、可移植、可裁減、穩(wěn)定性和可靠性高的特點。μC／GUI提供了豐富的界面元素，例如按鈕、編輯框、滑動條等控件，同時支持高效的窗口會調機制，為界面與應用函數(shù)之間提供了良好的接口機制。多功能數(shù)字小相框系統(tǒng)的人機交互界面正是利用這個工具進行開發(fā)的。

　　μC／GUI軟件體系結構如下:

　　μC／GUI函數(shù)庫為用戶程序提供GUI接口，包含的函數(shù)有文本、數(shù)值、二維圖形、輸入設備以及各種窗口對象。其中，輸入設備可以是鍵盤、鼠標或觸摸屏；二維圖形包括圖片、直線、多邊形、園、橢圓、圓弧等；窗口對象包括按鈕、編輯框、進度條、復選框等。

　　μC／GUI函數(shù)庫可以通過GUIConf．h文件進行配置，配置的內容包括是否采用內存設備，是否采用窗口管理器，是否支持操作系統(tǒng)、觸摸屏，以及配置動態(tài)內存的大小等。

　　在LCDConf．h文件中定義了與硬件有關的各種屬性，如液晶的大小、顏色以及與液晶的接口函數(shù)。而LCD驅動文件則負責把μC／GUI的各種函數(shù)解釋成LCDConf．h文件中定義的液晶接口函數(shù)，這個文件與具體的硬件連接無關。

　　μC／GUI與LCD的硬件接口通過驅動文件把硬件接口函數(shù)轉化為LCDConf．h中定義的LCD讀寫函數(shù)。

　　μC／GUI移植過程：

　　1. 配置文件的移植

　　移植工作首先需要完成的是對配置文件的GUIConf.h, LCDConf.h移植，根據(jù)數(shù)字相冊系統(tǒng)的顯示模塊的要求，對配置文件的相關的參數(shù)進行配置。

　　2. LCD驅動的移植

　　μC／GUI針對不同的液晶控制器提供了多種驅動程序，如KS0713、SEDl335、T6963等控制器都有對應的液晶驅動程序。但是由于在本系統(tǒng)中，采用的顯示模塊為TOPWAY TCB8000A LCD控制器和TFT、 65000色、LCD屏。而μC／GUI沒有提供相關控制器的驅動，并且與μC／GUI提供驅動支持的LCD控制器相比較，TCB8000A控制器擁有自己獨立的屏幕控制指令體系，這給μC／GUI在TCB8000A控制器的移植工作帶來了很大的難度。

　　在移植的過程中，我們首先運用TCB8000A的指令體系，實現(xiàn)了μC／GUI為上層應用函數(shù)提供的大部分API函數(shù)，接著對于TCB8000A控制器不能在硬件支持的API函數(shù)，我們采用軟件實現(xiàn)的方法對驅動進行了修補，最后通過對大量控件顯示測試實驗，調整了在LCD驅動中運用的TCB8000A顯示指令中的參數(shù)，使得LCD驅動的性能達到最優(yōu)。最終實現(xiàn)了μC／GUI在TCB8000A控制器上的無縫移植。

　　3. MRI圖像數(shù)據(jù)存取模塊

　　SD卡是Secure Digital Card卡的簡稱，直譯成漢語就是“安全數(shù)字卡”，是由日本松下公司、東芝公司和美國SANDISK公司共同開發(fā)研制的全新的存儲卡產品。SD存儲卡是一個完全開放的標準（系統(tǒng)），多用于MP3、數(shù)碼攝像機、數(shù)碼相機、電子圖書、AV器材等等，尤其是被廣泛應用在超薄數(shù)碼相機上。SD卡在外形上同MultiMedia Card卡保持一致，大小尺寸比MMC卡略厚，容量也大很多。并且兼容MMC卡接口規(guī)范。另外，SD卡為9引腳，目的是通過把傳輸方式由串行變成并行，以提高傳輸速度。它的讀寫速度比MMC卡要快一些，同時，安全性也更高。

　　我們?yōu)榱耸瓜到y(tǒng)更具有廣泛的應用性、兼容性，我們決定使用SD卡作為設備的主要存儲介質，用于存放我們的照片、音樂、素材等重要數(shù)據(jù)。DE2上的SD讀卡裝置為1線方式，其速度受到了很大限制。我們把裝置改動為4線方式，使其更加符合我們系統(tǒng)的要求。

　　在Nios II軟件開發(fā)集成環(huán)境下，包含了uc/os，可以使用戶方便的應用到自己的軟件工程里，我們?yōu)榱烁侠硎垢魅蝿展餐瑘?zhí)行、共享cpu，我們使用了uc/os操作系統(tǒng)，并為其加掛文件系統(tǒng)。一開始我們選用了zlg文件系統(tǒng)，在成功移植后，我們測試了他的速度，速度不盡人意。在向sd卡讀寫1M數(shù)據(jù)分別需要用時37sec和57sec。我們分析了它的耗時所在，一方面sd卡讀寫模式限制，在標準的DE2開發(fā)板上，sd卡使用的是1線讀寫模式，其數(shù)據(jù)線只有1根，速度受到了很大的限制，我們通過修改其模式，增加數(shù)據(jù)線的方式，使sd卡的讀寫模式改變?yōu)?線的sd模式，經過測試，速度有了提高，分別為17sec和27sec，但是速度并不是我們假想的快到原來的四倍，這是因為另一方面的影響—文件系統(tǒng)，經過上網(wǎng)查詢，發(fā)現(xiàn)zlg/fs的性能不高，浪費了很多時間，我們決定使用Micrium 公司的Uc/fs，他和uc/os有著很好的兼容性，在性能上也是得到了大眾的好評。經過幾周的努力我們成功移植了uc/fs 1.34版本到de2平臺上，為四線模式的sd卡架起了文件系統(tǒng)。

　　經過比較測試，讀寫速度有了很大提高，1M數(shù)據(jù)讀寫分別只用時3.6s和11s。這樣基本滿足了我們存取數(shù)據(jù)文件的速度要求。但是仍存在著寫較慢的問題，原因在于在寫數(shù)據(jù)到sd卡的時候每一個block都需要計算16位的CRC校驗，占用了一部分發(fā)送的時間，我們選擇采用自定義用戶指令的方式加快CRC16運算速度，往SD卡寫入一張MR圖像 （約1.5M）的時間從21.7S降低到15.8S。選用更高速的sd卡，還能有效的加塊寫卡的速度。

　　SD模式時序

　　Single Block Read

　　Single Block Write