基于FPGA控制的輸液系統(tǒng)設(shè)計[1]

目前，醫(yī)院輸液現(xiàn)場一般是人工控制和監(jiān)視，但輸液速度和輸液量是一個很難準確把握的值，護士通過轉(zhuǎn)動輸液器上的手動輪來控制輸液速度，并通過肉眼觀察估計速度，而且輸液過程中，醫(yī)護人員一般不能全程陪護，會給病人和醫(yī)務(wù)人員帶來許多安全隱患和不便。本文設(shè)計了一種集輸液控制、顯示、報警、語音通信等多種功能的輸液控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

輸液監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖1所示，包括FPGA控制器、點滴速度檢測、余液體積檢測、執(zhí)行機構(gòu)、鍵盤控制、LCD顯示、語音通信（發(fā)送與接收）以及RS232總線轉(zhuǎn)換等部分。

輸液控制與語音通信是本文的主要研究內(nèi)容，也是本系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的根本保證。根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)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(gòu)，以步進電機為執(zhí)行機構(gòu)。為了安全和方便，利用RS232總線增設(shè)了語音通信和輸液完成自動報警等功能。

2 硬件部分

2.1 控制器硬件設(shè)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CycloneIIEP2C35F672C6.FPGA芯片采用90nm的低功耗設(shè)計、672-PinFineLineBGA封裝，內(nèi)置35個內(nèi)嵌18×18乘法器、475個用戶管腳、4PLLs、205個差分通道（比c8高出一倍的主頻，可以達到400MHz）典型值100萬門，最大值約160萬門。主處理器采用Altera公司的32位Nios軟核處理器，與傳統(tǒng)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(jù)自身的系統(tǒng)要求、性能要求和成本要求進行定制。系統(tǒng)總線采用AVALON總線標準。另外系統(tǒng)具有RS232串行通信口、鍵盤PIO、LCD顯示等外圍擴展功能，便于系統(tǒng)的進一步開發(fā)，縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本[6].

Altera公司簡介

Altera的可編程解決方案幫助系統(tǒng)和半導(dǎo)體公司快速高效的實現(xiàn)創(chuàng)新，突出產(chǎn)品優(yōu)勢，贏得市場競爭。自二十年前發(fā)明世界上第一個可編程邏輯器件開始，Altera公司秉承了創(chuàng)新的傳統(tǒng)，是世界上“可編程芯片系統(tǒng)”（SOPC）解決方案倡導(dǎo)者。Altera公司總部位于美國加州的圣何塞，并在全球的14個中擁有近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(shè)計服務(wù)相結(jié)合，向全世界近14,000家客戶提供超值的可編程解決方案。

Altera一直在可編程系統(tǒng)級芯片，領(lǐng)域中處于前沿和地位，結(jié)合帶有軟件工具的可編程邏輯技術(shù)、知識產(chǎn)權(quán)（IP）和技術(shù)服務(wù)，在世界范圍內(nèi)為14,000多個客戶提供高質(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(nèi)在優(yōu)勢--靈活性、產(chǎn)品及時面市和更高級性能以及集成化結(jié)合在一起，專為滿足當(dāng)今大范圍的系統(tǒng)需求而開發(fā)設(shè)計。Altera可編程解決方案包括：業(yè)內(nèi)最先進的FPGA、CPLD和結(jié)構(gòu)化ASIC技術(shù)全面內(nèi)嵌的軟件開發(fā)工具最佳的IP內(nèi)核可定制嵌入式處理器現(xiàn)成的開發(fā)包希賽網(wǎng)設(shè)計服務(wù)

2.2 鍵盤控制

為了操作方便，系統(tǒng)采用鍵盤操作。設(shè)備履行一種雙向同步串行協(xié)議，接口中最重要的4根線是數(shù)據(jù)線、地線、電源線和時鐘線。在鍵盤內(nèi)部，有一個專門負責(zé)掃描按鍵的處理器，它能檢測出某個鍵被按下或者按下后被釋放，并根據(jù)按鍵的類型產(chǎn)生相應(yīng)的掃描碼。鍵盤發(fā)送的掃描碼有通碼（Make）和斷碼（Break）兩種類型。當(dāng)鍵盤上的一個鍵被按下時，鍵盤會根據(jù)按鍵類型產(chǎn)生一段通碼；當(dāng)鍵盤上的一個鍵按下后被釋放時，鍵盤會根據(jù)按鍵類型再產(chǎn)生一段斷碼。此處理器為每個按鍵分配了通碼和斷碼，這樣主機通過查找掃描碼就可以測定是哪個鍵被按下或釋放。具體方法是啟動QuartusⅡ，建立一個名為ps2_keyboard.qpf的工程，選擇器件，創(chuàng)建文本文件并編寫代碼，以接收來自鍵盤的掃描碼，要求對不同的按鍵做出響應(yīng)，為器件進行輸入輸出管腳分配，完成后對工程進行編譯。

鍵盤總是產(chǎn)生時鐘信號，從鍵盤發(fā)送到主機的數(shù)據(jù)在時鐘信號的下降沿被讀取。鍵盤的掃描碼發(fā)送給FPGA,這些掃描碼包含在鍵盤發(fā)送給主機的數(shù)據(jù)幀中。每個數(shù)據(jù)幀包括1位起始位（總是低電平）、8位數(shù)據(jù)位（即掃描碼，從低位開始發(fā)送）、1位奇偶校驗位（奇校驗）和1位結(jié)束位（總是高電平）。

2.3 傳感器

點滴速度檢測采用在茂菲氏滴管的中部外側(cè)安裝一個光纖傳感器。因為光電傳感器的紅外接收管很容易受到外界光線的干擾，并且它的直徑一般在2mm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1mm以內(nèi)，藥液點滴時分辨率高。液滴經(jīng)過時利用液滴對光線的“遮擋”使光纖接收管的接收的光束發(fā)生變化，再經(jīng)過電路處理得到點滴的速度脈沖，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快而產(chǎn)生點滴連續(xù)流，設(shè)計了上下分別安裝兩個檢測光纖，從而避免了少計脈沖數(shù)而產(chǎn)生錯誤的處理結(jié)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，點滴離散時只有X計數(shù)，點滴連續(xù)時XY同時計數(shù)，這種方法既安全又穩(wěn)定可靠。點滴離散時，XY只有一個高電平，或門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，而D鎖存器Q2因為C1作用時Y信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q2輸出低電平，門電路在計數(shù)器中作加法運算。點滴連續(xù)時XY同時輸出高電平，D鎖存器Q2也在計數(shù)。OUT0是輸出，OUT1是進位，Z是控制端輸入。