基于SOPC技術(shù)的醫(yī)用呼吸機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要： 以Altera公司FPGA芯片為平臺(tái)，利用SOPC技術(shù)和Nios II處理器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了醫(yī)用呼吸機(jī)的主控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 呼吸機(jī)；SOPC；Nios II軟核處理器；壓力補(bǔ)償

　　呼吸機(jī)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(xiàn)有的呼吸機(jī)產(chǎn)品，其主控系統(tǒng)大多基于單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于功能強(qiáng)一些的產(chǎn)品就需要使用高端單片機(jī)，這樣使得系統(tǒng)的成本比較高，而且外圍的接口模塊較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。使用SOPC(可編程片上系統(tǒng))技術(shù)設(shè)計(jì)主控系統(tǒng)，可充分利用IP核的強(qiáng)大功能，精簡(jiǎn)外設(shè)數(shù)量，與此同時(shí)只占用了很小部分的資源，大大提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。

　　本文利用SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)了持續(xù)氣道正壓通氣呼吸機(jī)的主控系統(tǒng)，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Avalon總線規(guī)范定制了組件，將控制邏輯全部集成至單片FPGA內(nèi)。

醫(yī)用呼吸機(jī)

　　正壓呼吸機(jī)是利用增加氣道內(nèi)壓力的方法將空氣送入肺內(nèi)，肺內(nèi)的壓力增大使肺腔擴(kuò)張。當(dāng)壓力失去后，由于肺腔組織的彈性，將肺恢復(fù)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(jī)都是利用這種增加氣道內(nèi)壓力的方法給病人送氣的。

　　呼吸機(jī)所需的氣壓采用直流電機(jī)來(lái)提供，直流電機(jī)的控制信號(hào)為PWM信號(hào)，根據(jù)PWM信號(hào)的占空比和周期來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。外部接口提供按鍵來(lái)接受命令，設(shè)定各種參數(shù)。提示信息、狀態(tài)信息、參數(shù)信息通過(guò)字符型LCD顯示。為了便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，使用UART為命令控制接口，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，該接口在成品后即被隱去。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　以SOPC技術(shù)為核心的呼吸機(jī)主控系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1  呼吸機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　主控系統(tǒng)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。折線框內(nèi)為主控板，除下載、調(diào)試用的PC機(jī)外，對(duì)直流電機(jī)及主控板需單獨(dú)供電。直流電機(jī)工作后將氣流送至面罩內(nèi)，電機(jī)根據(jù)端的信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)氣流的大小。在面罩內(nèi)裝有壓力檢測(cè)模塊，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換返回至主控板，用來(lái)對(duì)氣流進(jìn)行回饋調(diào)節(jié)。面罩供患者使用。

　　直流電機(jī)控制

　　系統(tǒng)使用PWM信號(hào)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。在SOPC Builder提供的標(biāo)準(zhǔn)IP核中是沒有PWM組件的，需要自行定制，PWM組件的輸出信號(hào)是方波，方波的周期及占空比可調(diào)。PWM任務(wù)邏輯結(jié)構(gòu)示于圖2。

圖2  PWM任務(wù)邏輯結(jié)構(gòu)

　　PWM組件的任務(wù)邏輯有：

　　●PWM任務(wù)邏輯由一個(gè)輸入時(shí)鐘、一個(gè)輸出信號(hào)、一個(gè)允許位、一個(gè)32位計(jì)數(shù)器和一個(gè)32位的比較器組成；

　　●時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)32位計(jì)數(shù)器，建立輸出信號(hào)的周期；

　　●比較器用來(lái)對(duì)32位比較器的當(dāng)前值和占空比值進(jìn)行比較，決定所輸出的信號(hào)；

　　●若當(dāng)前值小于或等于占空比值，則輸出邏輯信號(hào)為0，否則為1。

　　PWM組件的寄存器文件：

　　●clock_divde 在PWM的一個(gè)周期中的時(shí)鐘周期數(shù)；

　　●duty_cycle PWM輸出為低電平的時(shí)鐘周期數(shù)；

　　●enable  PWM輸出的允許/禁止。0到1的上升沿使能PWM組件。

　　將PWM定義寄存器的頭文件和驅(qū)動(dòng)程序封裝有：
 
　　altera_avalon_pwm_init();    //PWM模塊初始化，包括周期設(shè)置
 
　　altera_avalon_pwm_enable();     //PWM模塊使能

　　altera_avalon_p wm_disable();  //PWM模塊禁止

　　altera_avalon_ pwm_change_duty _cycle();  //PWM模塊占空比調(diào)整

　　對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，PWM占空比需要達(dá)到一定量才能使電機(jī)工作，低于閾值(PWM_DUTY_THRESHOLD)的PWM信號(hào)不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這部分能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量損害電機(jī)，所以，設(shè)定PWM值的時(shí)候需要注意將值設(shè)在閾值以上，在altera_avalon_pwm_change_duty_cycle()中對(duì)所設(shè)定的值進(jìn)行判斷，如果值低于PWM_DUTY_THRESHOLD則調(diào)整為PWM_DUTY_THRESHOLD＋1。

　　以上的設(shè)計(jì)全部完成后，在SOPC Builder內(nèi)將其封裝成為SOPC組件。

　　輸出及指示模塊

　　系統(tǒng)需要輸入設(shè)置、控制以及顯示提示，這部分功能包括有按鍵輸入、LED指示燈輸出、蜂鳴器輸出、液晶輸出等。

　　按鍵輸入是用戶與系統(tǒng)交互的重要接口，鍵盤板上共設(shè)有4個(gè)按鍵，一個(gè)為“On/Off”鍵，一個(gè)為“Set”鍵，一個(gè)為“Up”鍵，一個(gè)為“Down”鍵。“On/Off”功能鍵用于系統(tǒng)開機(jī)、關(guān)機(jī)；“Set”功能鍵用于LCD中參數(shù)設(shè)置時(shí)確定；“Up”和“Down”功能鍵用于改變當(dāng)前選項(xiàng)的內(nèi)容。

　　按鍵輸出模塊在Nios II內(nèi)使用SOPC Builder提供的PIO模塊搭建，由于要實(shí)時(shí)響應(yīng)按鍵內(nèi)容，需要開中斷，對(duì)按鍵的上升沿進(jìn)行捕捉，當(dāng)有中斷到來(lái)時(shí)，進(jìn)入中斷寄存器判斷中斷的來(lái)源和類型，根據(jù)現(xiàn)在的模式信息決定系統(tǒng)的動(dòng)作。

　　LED顯示及蜂鳴器輸出也使用PIO模塊搭建，為使得電流充裕采用共陽(yáng)極接法。

　　LCD顯示使用的是1602的通用液晶模塊，在SOPC Builder內(nèi)提供有相應(yīng)的IP核。液晶為16×2的形式，可顯示英文字母及數(shù)字，字庫(kù)在液晶模塊內(nèi)部含有。