基于FPGA為核心的多功能輸液系統的設計

2.3 傳感器

點(diǎn)滴速度檢測采用在茂菲氏滴管的中部外側安裝一個(gè)光纖傳感器。因為光電傳感器的紅外接收管很容易受到外界光線(xiàn)的干擾，并且它的直徑一般在2 mm以上，體積較大，安裝不方便。光纖傳感器測量端口面積小，可以做到直徑1 mm以?xún)?，藥液點(diǎn)滴時(shí)分辨率高。液滴經(jīng)過(guò)時(shí)利用液滴對光線(xiàn)的遮擋使光纖接收管的接收的光束發(fā)生變化，再經(jīng)過(guò)電路處理得到點(diǎn)滴的速度脈沖，再將這種速度脈沖采集信息發(fā)送給控制器。為了防止輸液速度過(guò)快而產(chǎn)生點(diǎn)滴連續流，設計了上下分別安裝兩個(gè)檢測光纖，從而避免了少計脈沖數而產(chǎn)生錯誤的處理結果。電路X為光纖輸出電壓波形，Y為光纖輸出電壓波形。一般情況下，點(diǎn)滴離散時(shí)只有X計數，點(diǎn)滴連續時(shí)XY同時(shí)計數，這種方法既安全又穩定可靠。點(diǎn)滴離散時(shí)，XY只有一個(gè)高電平，或門(mén)C1產(chǎn)生的信號作為D鎖存器Q1的控制端只允許X產(chǎn)生的正脈沖通過(guò)，而D鎖存器Q2因為C1作用時(shí)Y信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q2輸出低電平，門(mén)電路在計數器中作加法運算。點(diǎn)滴連續時(shí)XY同時(shí)輸出高電平，D鎖存器Q2也在計數。OUT0是輸出，OUT1是進(jìn)位，Z是控制端輸入。

余液體積檢測采用直線(xiàn)式容柵傳感器，固定容柵安裝在輸液系統底座上，滑動(dòng)容柵安裝在輸液系統步進(jìn)電機帶動(dòng)的絲杠的螺絲母上，絲杠轉動(dòng)使螺母產(chǎn)生水平移動(dòng)，測量原理如同游標卡尺，這種傳感器響應速度快、量程可以達到1 m,誤差小于0.01 mm[7].余液體積檢測通過(guò)滑動(dòng)容柵移動(dòng)的距離乘以容器室的截面積而得出。

2.4 執行機構

輸液速度控制采用的控制機構由步進(jìn)電機、絲杠、螺絲母、壓縮支架、容器室組成。步進(jìn)電機在FPGA的控制下進(jìn)行正反轉動(dòng)，絲杠轉動(dòng)使螺母產(chǎn)生水平移動(dòng)，壓縮支架安裝在螺絲上，壓縮架壓縮容器室，藥液包因容器室體積變小而收縮，藥液從輸液管輸出，通過(guò)調整步進(jìn)電機的步進(jìn)速度，達到控制輸液速度的目的。

2.5 語(yǔ)音通信

立體聲CODEC芯片WM8731是一個(gè)高性能、低功耗的24位音頻立體聲接口，被廣泛應用于各種便攜式音樂(lè )播放器中。該芯片可以分別設置音頻ADC和DAC的采樣率，包含microphone-in、line-in和line-out接口，WM8731用I2C接口與FPGA連接。

語(yǔ)音發(fā)送接收要有一個(gè)合適的波段，本文選定為15.6 MHz.讓軟件生成一個(gè)鎖相環(huán)變頻模塊，Audio_DAC_ADC.v需要一個(gè)15.6 MHz的時(shí)鐘，調用FPGA上的鎖相環(huán)（PLL）資源，讓軟件生成這個(gè)模塊的。v文件，然后在de2_top.v中添加這個(gè)模塊。

添加audio_DAC_ADC模塊過(guò)程為：

reg signed [15:0] audio_outR;

wire signed [15:0] audio_outL;

wire signed [15:0] audio_inL, audio_inR;

AUDIO_DAC_ADC u2 （//Audio Side

.oAUD_BCK（AUD_BCLK），

.oAUD_DATA（AUD_DACDAT），

.oAUD_LRCK（AUD_DACLRCK），

.oAUD_inL（audio_inL），/audio left data from ADC

.oAUD_inR（audio_inR），//audio right data from ADC

.iAUD_ADCDAT（AUD_ADCDAT），

.iAUD_extL（audio_outL），//audio left data to DAC

iAUD_extR（audio_outR），//audio right data to DAC

//Control Signals

.iCLK_15_6（AUD_CTRL_CLK），

.iRST_N（1′b1））；

顯示器選用唯信諾公司提供的OLED有機發(fā)光顯示器，分辨率160×128,6.5K色，用16位并行數據總線(xiàn)與FPGA相連。OLED的控制芯片為L(cháng)GDP4216,OLED供電電壓10 V~21 V,接口供電電壓2.2 V~3.3 V.顯示區域大小可變，最大160（RGB）×128行，刷新率有7種，默認90 Hz.

2.6 RS232數據傳送與報警

使用MAX3232電平轉換芯片和9針D型連接器進(jìn)行串口通信。由于系統是3.3 V供電，因此需要使用MAX3232進(jìn)行電平轉換。MAX3232是3.3 V工作電源的RS232轉換芯片。護士室MAX3232適配器端口裝有三個(gè)LED燈分別用來(lái)顯示執行狀態(tài)、數據傳送、報警。串口直接連接到CyclII FPGA上。MAX3232芯片包含兩組收發(fā)器，最大數據傳輸率250 kb/s.報警功能主要是在護士室顯示，綁定在傳輸模塊上，當余液控制達到下限時(shí)發(fā)生報警。

3 軟件設計

輸液控制主程序主要由初始化模塊和各功能模塊組成。初始化模塊主要完成對通信、中斷、定時(shí)的初始狀態(tài)設置。初態(tài)時(shí)，RS232通信端口設置為接收狀態(tài)，波特率設置為19 200 b/s;各功能模塊包含鍵盤(pán)控制、點(diǎn)滴速度檢測、步進(jìn)電機控制、數據顯示、語(yǔ)音通信及報警等。

本系統采用Cycl-one II的FPGA進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其鍵盤(pán)操作方便快捷，LCD顯示一目了然，語(yǔ)音通信及報警功能提高了醫患人員的安全感。本系統充分利用了鍵盤(pán)PIO、LCD顯示、ADC和DAC音頻接口、RS232串行通信口等，縮短了系統的開(kāi)發(fā)周期，降低了系統的開(kāi)發(fā)成本。通過(guò)實(shí)驗測試，系統各檢測傳感器、控制執行機構、顯示、報警等功能正常，性能達到了設計要求。