摘  要： 介紹了一種以FPGA為核心的多功能輸液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)具有鍵盤(pán)操作、點(diǎn)滴檢測(cè)、點(diǎn)滴速度控制、余液顯示、語(yǔ)音通信和報(bào)警等功能。采用光纖傳感器檢測(cè)點(diǎn)滴速度，用容柵傳感器檢測(cè)余液量，用步進(jìn)電機(jī)及其配套裝置控制點(diǎn)滴速度。實(shí)驗(yàn)證明，檢測(cè)與控制等性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞： FPGA；點(diǎn)滴速度控制；光纖傳感器；容柵傳感器；語(yǔ)音通信

    目前，醫(yī)院輸液現(xiàn)場(chǎng)一般是人工控制和監(jiān)視，但輸液速度和輸液量是一個(gè)很難準(zhǔn)確把握的值，護(hù)士通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)輸液器上的手動(dòng)輪來(lái)控制輸液速度，并通過(guò)肉眼觀(guān)察估計(jì)速度，而且輸液過(guò)程中，醫(yī)護(hù)人員一般不能全程陪護(hù)，會(huì)給病人和醫(yī)務(wù)人員帶來(lái)許多安全隱患和不便[1-5]。本文設(shè)計(jì)了一種集輸液控制、顯示、報(bào)警、語(yǔ)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(jì)
    輸液監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖1所示，包括FPGA控制器、點(diǎn)滴速度檢測(cè)、余液體積檢測(cè)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、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(zhuǎn)換等部分。

    輸液控制與語(yǔ)音通信是本文的主要研究?jī)?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(jì)中以FPGA為控制器，以光纖傳感器和容柵傳感器為檢測(cè)機(jī)構(gòu)，以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為了安全和方便，利用RS232總線(xiàn)增設(shè)了語(yǔ)音通信和輸液完成自動(dòng)報(bào)警等功能。
2 硬件部分
2.1 控制器硬件設(shè)計(jì)
    控制器主芯片采用Altera公司的型號(hào)為APEX系列的FPGA芯片,芯片型號(hào)為 Cyclone II EP2C35F672C6。FPGA芯片采用90 nm的低功耗設(shè)計(jì)、672-Pin FineLine BGA封裝，內(nèi)置35個(gè)內(nèi)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(dá)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(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(jìn)行定制。系統(tǒng)總線(xiàn)采用AVALON總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。另外系統(tǒng)具有RS232串行通信口、鍵盤(pán)PIO、LCD顯示等外圍擴(kuò)展功能，便于系統(tǒng)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，縮短系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，降低系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本[6]。
2.2 鍵盤(pán)控制
    為了操作方便，系統(tǒng)采用鍵盤(pán)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(xiàn)是數(shù)據(jù)線(xiàn)、地線(xiàn) 、電源線(xiàn)和時(shí)鐘線(xiàn)。在鍵盤(pán)內(nèi)部，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)掃描按鍵的處理器，它能檢測(cè)出某個(gè)鍵被按下或者按下后被釋放，并根據(jù)按鍵的類(lèi)型產(chǎn)生相應(yīng)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(dāng)鍵盤(pán)上的一個(gè)鍵被按下時(shí)，鍵盤(pán)會(huì)根據(jù)按鍵類(lèi)型產(chǎn)生一段通碼；當(dāng)鍵盤(pán)上的一個(gè)鍵按下后被釋放時(shí)，鍵盤(pán)會(huì)根據(jù)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(jī)通過(guò)查找唯一的掃描碼就可以測(cè)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(duì)不同的按鍵做出響應(yīng)，為器件進(jìn)行輸入輸出管腳分配，完成后對(duì)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(hào)，從鍵盤(pán)發(fā)送到主機(jī)的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘信號(hào)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(jī)的數(shù)據(jù)幀中。每個(gè)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(kāi)始發(fā)送）、1位奇偶校驗(yàn)位（奇校驗(yàn)）和1位結(jié)束位（總是高電平）。

2.3 傳感器
    點(diǎn)滴速度檢測(cè)采用在茂菲氏滴管的中部外側(cè)安裝一個(gè)光纖傳感器。因?yàn)楣怆妭鞲衅鞯募t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(cè)量端口面積小，可以做到直徑1 mm以?xún)?nèi)，藥液點(diǎn)滴時(shí)分辨率高。液滴經(jīng)過(guò)時(shí)利用液滴對(duì)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(xù)流，設(shè)計(jì)了上下分別安裝兩個(gè)檢測(cè)光纖，從而避免了少計(jì)脈沖數(shù)而產(chǎn)生錯(cuò)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(diǎn)滴離散時(shí)只有X計(jì)數(shù)，點(diǎn)滴連續(xù)時(shí)XY同時(shí)計(jì)數(shù)，這種方法既安全又穩(wěn)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(hào)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?yàn)镃1作用時(shí)Y信號(hào)尚在低電平，信號(hào)被屏蔽，Q2輸出低電平，門(mén)電路在計(jì)數(shù)器中作加法運(yùn)算。點(diǎn)滴連續(xù)時(shí)XY同時(shí)輸出高電平，D鎖存器Q2也在計(jì)數(shù)。OUT0是輸出，OUT1是進(jìn)位，Z是控制端輸入。

    余液體積檢測(cè)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(tǒng)底座上，滑動(dòng)容柵安裝在輸液系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的絲杠的螺絲母上，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使螺母產(chǎn)生水平移動(dòng)，測(cè)量原理如同游標(biāo)卡尺，這種傳感器響應(yīng)速度快、量程可以達(dá)到1 m，誤差小于0.01 mm[7]。余液體積檢測(cè)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(zhí)行機(jī)構(gòu)
    輸液速度控制采用的控制機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)、絲杠、螺絲母、壓縮支架、容器室組成。步進(jìn)電機(jī)在FPGA的控制下進(jìn)行正反轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)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(diào)整步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)速度，達(dá)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(yīng)用于各種便攜式音樂(lè)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(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(diào)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));
2.6 液晶顯示控制
    顯示器選用唯信諾公司提供的OLED有機(jī)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(xiàn)與FPGA相連。OLED的控制芯片為L(zhǎng)GDP4216，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(rèn)90 Hz。
2.7 RS232數(shù)據(jù)傳送與報(bào)警
    使用MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片和9針D型連接器進(jìn)行串口通信。由于系統(tǒng)是3.3 V供電，因此需要使用MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX3232是3.3 V工作電源的RS232轉(zhuǎn)換芯片。護(hù)士室MAX3232適配器端口裝有三個(gè)LED燈分別用來(lái)顯示執(zhí)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳送、報(bào)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(bào)警功能主要是在護(hù)士室顯示，綁定在傳輸模塊上，當(dāng)余液控制達(dá)到下限時(shí)發(fā)生報(bào)警。
3 軟件設(shè)計(jì)
    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(duì)通信、中斷、定時(shí)的初始狀態(tài)設(shè)置。初態(tài)時(shí)，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(pán)控制、點(diǎn)滴速度檢測(cè)、步進(jìn)電機(jī)控制、數(shù)據(jù)顯示、語(yǔ)音通信及報(bào)警等。

    本系統(tǒng)廣泛吸取了同類(lèi)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，采用的測(cè)試方法、控制方法具有安全方便、節(jié)能、可靠等特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用Cycl-one II的FPGA進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其鍵盤(pán)操作方便快捷，LCD顯示一目了然，語(yǔ)音通信及報(bào)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(pán)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(kāi)發(fā)周期，降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)各檢測(cè)傳感器、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示、報(bào)警等功能正常，性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
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