以FPGA為核心的多功能輸液系統(tǒng)的設(shè)計

　　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 Cyclone II EP2C35F672C6。FPGA芯片采用90 nm的低功耗設(shè)計、672-Pin FineLine BGA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400 MHz）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(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)域中處于前沿和領(lǐng)先的地位，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 專家設(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唯一的通碼和斷碼，這樣主機通過查找唯一的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。

　　如圖2所示，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。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。

余液體積檢測采用直線式容柵傳感器，安裝位置如圖4所示。固定容柵安裝在輸液系統(tǒng)底座上，滑動容柵安裝在輸液系統(tǒng)步進電機帶動的絲杠的螺絲母上，絲杠轉(zhuǎn)動使螺母產(chǎn)生水平移動，測量原理如同游標卡尺，這種傳感器響應(yīng)速度快、量程可以達到1 m，誤差小于0.01 mm[7]。余液體積檢測通過滑動容柵移動的距離乘以容器室的截面積而得出。

　　2.4 執(zhí)行機構(gòu)

　　輸液速度控制采用的控制機構(gòu)由步進電機、絲杠、螺絲母、壓縮支架、容器室組成。步進電機在FPGA的控制下進行正反轉(zhuǎn)動，絲杠轉(zhuǎn)動使螺母產(chǎn)生水平移動，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，通過調(diào)整步進電機的步進速度，達到控制輸液速度的目的。

　　2.5 語音通信

　　立體聲CODEC芯片WM8731是一個高性能、低功耗的24位音頻立體聲接口，被廣泛應(yīng)用于各種便攜式音樂播放器中。該芯片可以分別設(shè)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。

　　語音發(fā)送接收要有一個合適的波段，本文選定為15.6 MHz。讓軟件生成一個鎖相環(huán)變頻模塊，Audio_DAC_ADC.v需要一個15.6 MHz的時鐘，調(diào)用FPGA上的鎖相環(huán)（PLL）資源，讓軟件生成這個模塊的。v文件，然后在de2_top.v中添加這個模塊。

　　添加audio_DAC_ADC模塊過程為：

　　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））；

　　2.6 液晶顯示控制

　　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(shù)據(jù)總線與FPGA相連。OLED的控制芯片為LGDP4216，OLED供電電壓10 V～21 V，接口供電電壓2.2 V～3.3 V。顯示區(qū)域大小可變，最大160（RGB）×128行，刷新率有7種，默認90 Hz。

　　2.7 RS232數(shù)據(jù)傳送與報警

　　使用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片和9針D型連接器進行串口通信。由于系統(tǒng)是3.3 V供電，因此需要使用MAX3232進行電平轉(zhuǎn)換。MAX3232是3.3 V工作電源的RS232轉(zhuǎn)換芯片。護士室MAX3232適配器端口裝有三個LED燈分別用來顯示執(zhí)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(dāng)余液控制達到下限時發(fā)生報警。

　　3 軟件設(shè)計

　　輸液控制主程序主要由初始化模塊和各功能模塊組成，如圖5所示。初始化模塊主要完成對通信、中斷、定時的初始狀態(tài)設(shè)置。初態(tài)時，RS232通信端口設(shè)置為接收狀態(tài)，波特率設(shè)置為19 200 b/s；各功能模塊包含鍵盤控制、點滴速度檢測、步進電機控制、數(shù)據(jù)顯示、語音通信及報警等。

　　本系統(tǒng)廣泛吸取了同類系統(tǒng)的優(yōu)點，采用的測試方法、控制方法具有安全方便、節(jié)能、可靠等特點。本系統(tǒng)采用Cycl-one II的FPGA進行開發(fā)，其鍵盤操作方便快捷，LCD顯示一目了然，語音通信及報警功能提高了醫(yī)患人員的安全感。本系統(tǒng)充分利用了鍵盤PIO、LCD顯示、ADC和DAC音頻接口、RS232串行通信口等，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本。通過實驗測試，系統(tǒng)各檢測傳感器、控制執(zhí)行機構(gòu)、顯示、報警等功能正常，性能達到了設(shè)計要求。