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]。

　　Altera 公司簡(jiǎn)介

　　Altera 的可編程解決方案幫助系統和半導體公司快速高效的實(shí)現創(chuàng )新，突出產(chǎn)品優(yōu)勢，贏(yíng)得市場(chǎng)競爭。自二十年前發(fā)明世界上第一個(gè)可編程邏輯器件開(kāi)始，Altera 公司秉承了創(chuàng )新的傳統，是世界上可編程芯片系統 （SOPC） 解決方案倡導者。Altera 公司總部位于美國加州的圣何塞，并在全球的14個(gè)國家中擁有近2000名員工，其2005年度的年收入高達11.23億美元。Altera 將其早在1983年發(fā)明的可編程邏輯技術(shù)與軟件工具、IP 和設計服務(wù)相結合，向全世界近14,000家客戶(hù)提供超值的可編程解決方案。

　　Altera 一直在可編程系統級芯片，領(lǐng)域中處于前沿和領(lǐng)先的地位，結合帶有軟件工具的可編程邏輯技術(shù)、知識產(chǎn)權 （IP） 和技術(shù)服務(wù)，在世界范圍內為14,000多個(gè)客戶(hù)提供高質(zhì)量的可編程解決方案。我們新產(chǎn)品系列將可編程邏輯的內在優(yōu)勢 —— 靈活性、產(chǎn)品及時(shí)面市 —— 和更高級性能以及集成化結合在一起，專(zhuān)為滿(mǎn)足當今大范圍的系統需求而開(kāi)發(fā)設計。Altera 可編程解決方案包括：業(yè)內最先進(jìn)的 FPGA、CPLD 和結構化 ASIC 技術(shù) 全面內嵌的軟件開(kāi)發(fā)工具 最佳的 IP 內核 可定制嵌入式處理器 現成的開(kāi)發(fā)包 專(zhuān)家設計服務(wù)

　　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。

　　如圖2所示，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）。

　　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。如圖3所示，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，安裝位置如圖4所示。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））；