基于SOPC的醫用呼吸機主控系統設計

呼吸機是可以代替人的呼吸功能或輔助人的呼吸功能的儀器。它適用于呼吸衰竭、甚至停止呼吸的病人做人工呼吸之用。它能幫助病人糾正缺氧和排出二氧化碳，是挽救某些危重病人生命的重要工具。

現有的呼吸機產(chǎn)品，其主控系統大多基于單片機來(lái)實(shí)現，對于功能強一些的產(chǎn)品就需要使用高端單片機，這樣使得系統的成本比較高，而且外圍的接口模塊較多，結構復雜。使用SOPC(可編程片上系統)技術(shù)設計主控系統，可充分利用IP核的強大功能，精簡(jiǎn)外設數量，與此同時(shí)只占用了很小部分的資源，大大提高了系統的性?xún)r(jià)比。

本文利用SOPC技術(shù)設計了持續氣道正壓通氣呼吸機的主控系統，使用了Altera公司的Nios II軟核處理器以及一些通用的IP核，筆者基于A(yíng)valon總線(xiàn)規范定制了組件，將控制邏輯全部集成至單片FPGA內。

醫用呼吸機

正壓呼吸機是利用增加氣道內壓力的方法將空氣送入肺內，肺內的壓力增大使肺腔擴張。當壓力失去后，由于肺腔組織的彈性，將肺恢復到原來(lái)的形狀，而使經(jīng)過(guò)交換的一部分空氣呼出體外。目前，大部分呼吸機都是利用這種增加氣道內壓力的方法給病人送氣的。

呼吸機所需的氣壓采用直流電機來(lái)提供，直流電機的控制信號為PWM信號，根據PWM信號的占空比和周期來(lái)控制電機的轉速。外部接口提供按鍵來(lái)接受命令，設定各種參數。提示信息、狀態(tài)信息、參數信息通過(guò)字符型LCD顯示。為了便于對系統進(jìn)行測試，使用UART為命令控制接口，對系統進(jìn)行直接控制，該接口在成品后即被隱去。

系統結構

以SOPC技術(shù)為核心的呼吸機主控系統框圖如圖1所示。

圖1 呼吸機系統硬件結構框圖

主控系統的核心FPGA采用Altera公司Cyclone系列的EP1C6T144C8。 CPU即為Nios II軟核處理器，對整個(gè)系統進(jìn)行統一管理。折線(xiàn)框內為主控板，除下載、調試用的PC機外，對直流電機及主控板需單獨供電。直流電機工作后將氣流送至面罩內，電機根據端的信號來(lái)調節氣流的大小。在面罩內裝有壓力檢測模塊，通過(guò)A/D轉換返回至主控板，用來(lái)對氣流進(jìn)行回饋調節。面罩供患者使用。