基于FPGA為核心的多功能輸液系統的設計

今朝醫護人員一般不能全程陪護，會(huì )給病人和醫務(wù)人員帶來(lái)良多平安隱患和未便。本文設計了一種集輸液節制、顯示、報警、語(yǔ)音通信等多種功能的輸液節制系統。

1 系統總體設計

輸液監控系統原理如圖1所示，包括FPGA控制器、點(diǎn)滴速度檢測、余液體積檢測、執行機構、鍵盤(pán)控制、LCD顯示、語(yǔ)音通信（發(fā)送與接收）以及RS232總線(xiàn)轉換等部分。

輸液控制與語(yǔ)音通信是本文的主要研究?jì)热?，也是本系統穩定性和可靠性的根本保證。根據系統要求，設計中以FPGA為控制器，以光纖傳感器和容柵傳感器為檢測機構，以步進(jìn)電機為執行機構。為了安全和方便，利用RS232總線(xiàn)增設了語(yǔ)音通信和輸液完成自動(dòng)報警等功能。

2 硬件部分

2.1 控制器硬件設計

控制器主芯片采用Altera公司的型號為APEX系列的FPGA芯片，芯片型號為 Cyclone II EP2C35F672C6.FPGA芯片采用90 nm的低功耗設計、672-Pin FineLine BGA封裝，內置35個(gè)內嵌18×18乘法器、475個(gè)用戶(hù)管腳、4PLLs、205個(gè)差分通道（比c8高出一倍的主頻，可以達到400 MHz）典型值100萬(wàn)門(mén)，最大值約160萬(wàn)門(mén)。主處理器采用Altera公司的32位Nios軟核處理器，與傳統的嵌入式處理器相比，NiosⅡ處理器更加靈活。該芯片具有定制特性，可以根據自身的系統要求、性能要求和成本要求進(jìn)行定制。系統總線(xiàn)采用AVALON總線(xiàn)標準。另外系統具有RS232串行通信口、鍵盤(pán)PIO、LCD顯示等外圍擴展功能，便于系統的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，縮短系統的開(kāi)發(fā)周期，降低系統的開(kāi)發(fā)成本[6].

2.2 鍵盤(pán)控制

為了操作方便，系統采用鍵盤(pán)操作。設備履行一種雙向同步串行協(xié)議，接口中最重要的4根線(xiàn)是數據線(xiàn)、地線(xiàn)、電源線(xiàn)和時(shí)鐘線(xiàn)。在鍵盤(pán)內部，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)負責掃描按鍵的處理器，它能檢測出某個(gè)鍵被按下或者按下后被釋放，并根據按鍵的類(lèi)型產(chǎn)生相應的掃描碼。鍵盤(pán)發(fā)送的掃描碼有通碼（Make）和斷碼（Break）兩種類(lèi)型。當鍵盤(pán)上的一個(gè)鍵被按下時(shí)，鍵盤(pán)會(huì )根據按鍵類(lèi)型產(chǎn)生一段通碼；當鍵盤(pán)上的一個(gè)鍵按下后被釋放時(shí)，鍵盤(pán)會(huì )根據按鍵類(lèi)型再產(chǎn)生一段斷碼。此處理器為每個(gè)按鍵分配了唯一的通碼和斷碼，這樣主機通過(guò)查找唯一的掃描碼就可以測定是哪個(gè)鍵被按下或釋放。具體方法是啟動(dòng)QuartusⅡ，建立一個(gè)名為ps2_keyboard.qpf的工程，選擇器件，創(chuàng )建文本文件并編寫(xiě)代碼，以接收來(lái)自鍵盤(pán)的掃描碼，要求對不同的按鍵做出響應，為器件進(jìn)行輸入輸出管腳分配，完成后對工程進(jìn)行編譯。

鍵盤(pán)總是產(chǎn)生時(shí)鐘信號，從鍵盤(pán)發(fā)送到主機的數據在時(shí)鐘信號的下降沿被讀取。鍵盤(pán)的掃描碼發(fā)送給FPGA,這些掃描碼包含在鍵盤(pán)發(fā)送給主機的數據幀中。每個(gè)數據幀包括1位起始位（總是低電平）、8位數據位（即掃描碼，從低位開(kāi)始發(fā)送）、1位奇偶校驗位（奇校驗）和1位結束位（總是高電平）。