基于SOPC技術(shù)的醫(yī)用呼吸機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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系統(tǒng)與PC通訊有兩個接口，JTAG接口和UART接口。JTAG接口用來對FPGA進(jìn)行配置及程序下載；UART接口則作為命令控制接口，對完成的程序進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試。這兩個組件在SOPC Builder內(nèi)均有提供，可直接使用。JTAG接口無需過多配置，外部硬件連接完成后，在內(nèi)部添加組件即可使用，對JTAG端口的操作由Quartus軟件內(nèi)部完成。
UART接口與PC機(jī)通過RS-232協(xié)議進(jìn)行通訊，可以改變其波特率、奇偶校驗(yàn)位、停止位、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位以及其他可選的RTS-CTS流控制信號等。實(shí)際應(yīng)用中波特率使用115200，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，帶奇偶校驗(yàn)位，流控制則設(shè)為none。外部硬件連接使用MAX3232作為電平轉(zhuǎn)換芯片。
存儲及配置單元
FPGA使用AS配置模式，配置芯片為EPCS4。EPCS4芯片中的存儲區(qū)可分為兩個區(qū)：FPGA配置存儲區(qū)用來保存FPGA配置的數(shù)據(jù)，通用存儲區(qū)用來存放系統(tǒng)啟動代碼以及程序數(shù)據(jù)。除了SOPC Builder提供的EPCS組件外，Nios II IDE中的Flash Programmer實(shí)用程序可把數(shù)據(jù)固化到EPCS芯片中。
FPGA芯片內(nèi)部開出一塊4K大小的RAM，作為程序運(yùn)行時的緩存區(qū)。
定時器
SOPC Builder提供的定時器是一個32位的間隔定時器，與我們常見到的單片機(jī)內(nèi)部的定時器模塊類似，有遞增計(jì)數(shù)模式和遞減計(jì)數(shù)模式，在計(jì)數(shù)器為0時可生成中斷，也可令周期脈沖發(fā)生器輸出一個脈沖。對periodl和periodh寄存器進(jìn)行寫操作可設(shè)定定時器的周期。系統(tǒng)中使用定時器模塊計(jì)時，用來判斷命令執(zhí)行時間的長短，按鍵時長等功能，開中斷后可實(shí)現(xiàn)長按鍵開關(guān)機(jī)或Shift鍵功能。
A/D采樣
A/D采樣主要是為了檢測面罩壓力并反饋，根據(jù)反饋值對壓力進(jìn)行再調(diào)節(jié)。壓力檢測后壓力信號通過Maxim公司的A/D芯片MAX197進(jìn)行采樣。
與PWM組件類似，SOPC Builder也沒有提供相應(yīng)的A/D組件IP核，需自行定制，定制過程與PWM組件相同。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。
圖3 呼吸機(jī)工作流程
工作狀態(tài)
設(shè)置狀態(tài)：只能在系統(tǒng)斷電后，重新上電時進(jìn)入。除此之外，系統(tǒng)在任何情況下都無法進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)。并且從設(shè)置狀態(tài)只能返回到關(guān)機(jī)狀態(tài)。“Up”，“Down”鍵改變選項(xiàng)，“Set”鍵進(jìn)入設(shè)置或確認(rèn)設(shè)置，“On/Off”取消設(shè)置或退出當(dāng)前這層設(shè)置界面，當(dāng)已退到最初設(shè)置界面時，再按“On/Off”為關(guān)機(jī)；
關(guān)機(jī)狀態(tài)：液晶顯示“Off”，且只響應(yīng)開機(jī)鍵和命令；
待機(jī)狀態(tài)：液晶顯示治療壓力的延時；
治療狀態(tài)：響應(yīng)“On/Off”鍵， “Up”鍵和“Down”鍵。其中，“On/Off”鍵用于“啟動/停止”治療；“Up”和“Down”用于以0.5厘米水柱的壓力為步長調(diào)整當(dāng)前工作壓力。
對這四種狀態(tài)的切換都基于不同時段不同按鍵的組合，設(shè)計(jì)時考慮到治療操作的簡便性，把大多數(shù)操作都放到設(shè)置狀態(tài)內(nèi)進(jìn)行，治療時只需要根據(jù)實(shí)際情況略作調(diào)節(jié)即可。
壓力反饋
對于呼吸機(jī)這種直接面對病患的醫(yī)療器械，安全性是非常重要的，另外，對所加壓力的精度要求也比較高，就算是5%的壓力變化對于一個病人的呼吸系統(tǒng)來說也是不小的壓力。在電機(jī)有輸出有波動的時候，加一級反饋來對壓力進(jìn)行補(bǔ)償輸出，可以防止突然間的誤動作以及供電電壓波動帶來的壓力精度偏移。
將A/D采樣的結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，如果低于設(shè)定值，則對輸出值進(jìn)行相應(yīng)的提升；如果高于設(shè)定值，則減少輸出值。對壓力輸出的調(diào)節(jié)要逐步進(jìn)行，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)定步長PWM_T_STEP，每次變化只增減PWM_T_STEP的值，這樣不會使得氣流忽大忽小，讓患者的呼吸系統(tǒng)感到不適。
按鍵及顯示
系統(tǒng)中對按鍵的要求比較多，除了正常的單次按鍵外，還有開關(guān)機(jī)時的長按鍵、進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)的組合鍵等。這些特殊功能的按鍵也是基于單次按鍵的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。
長按鍵需要對按鍵的觸發(fā)的上升沿和下降沿都進(jìn)行判斷，單次按鍵的下降沿中斷來到后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，到上升沿中斷到來為止，如果計(jì)數(shù)大于某一閾值則認(rèn)為該次按鍵為長按鍵。閾值的確定要根據(jù)系統(tǒng)的時鐘頻率以及所需要的延時長度。
系統(tǒng)的顯示主要依靠LCD，16×2的液晶上只能顯示兩行菜單，但菜單的總條數(shù)遠(yuǎn)大于兩條，為此，菜單數(shù)組的顯示和執(zhí)行就需要兩套指針來實(shí)現(xiàn)，顯示時單行滾動顯示，以便于觀察。
結(jié)語
本文所述的醫(yī)用呼吸機(jī)主控系統(tǒng)，樣機(jī)已制出，現(xiàn)正進(jìn)行性能測試，目前運(yùn)行正常。整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在定制基于SOPC技術(shù)的嵌入式Nios II軟核處理器設(shè)計(jì)和電機(jī)驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)上，與傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的方案相比，Nios II只占用了FPGA芯片內(nèi)的一小部分資源，卻完成了包括單片機(jī)及相當(dāng)數(shù)量外設(shè)的功能，這樣既簡化了電路板設(shè)計(jì)，減少外圍器件的配置，又有效地控制了系統(tǒng)軟硬件的復(fù)雜度，降低了成本，縮短開發(fā)周期，更便于對未來產(chǎn)品的升級換代。
參考文獻(xiàn)：
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2. Altera. NiosII Processor Reference Handbook [EB/OL]. (2006-05).http://www.altera.com
3. Altera. Altera Embedded Peripherals Handbook [EB/OL]. (2006-05). http://www.altera.com
4. 彭澄廉，挑戰(zhàn)SOC—基于Nios的SOPC設(shè)計(jì)與實(shí)踐，清華大學(xué)出版社，2004
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