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)具有鍵盤操作,、點(diǎn)滴檢測、點(diǎn)滴速度控制,、余液顯示,、語音通信和報(bào)警等功能。采用光纖傳感器檢測點(diǎn)滴速度,，用容柵傳感器檢測余液量,，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；語音通信
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(gè)很難準(zhǔn)確把握的值，護(hù)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(jì)速度,，而且輸液過程中，醫(yī)護(hù)人員一般不能全程陪護(hù),，會給病人和醫(yī)務(wù)人員帶來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,、余液體積檢測,、執(zhí)行機(jī)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(jì)中以FPGA為控制器，以光纖傳感器和容柵傳感器為檢測機(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總線增設(shè)了語音通信和輸液完成自動報(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(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(jìn)行定制,。系統(tǒng)總線采用AVALON總線標(biāo)準(zhǔn),。另外系統(tǒng)具有RS232串行通信口、鍵盤PIO,、LCD顯示等外圍擴(kuò)展功能,，便于系統(tǒng)的進(jìn)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],。
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(shí)鐘線,。在鍵盤內(nèi)部，有一個(gè)專門負(fù)責(zé)掃描按鍵的處理器,，它能檢測出某個(gè)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(gè)鍵被按下時(shí),，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(gè)鍵按下后被釋放時(shí)，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(gè)按鍵分配了唯一的通碼和斷碼,，這樣主機(jī)通過查找唯一的掃描碼就可以測定是哪個(gè)鍵被按下或釋放。具體方法是啟動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(jìn)行輸入輸出管腳分配，完成后對工程進(jìn)行編譯,。
如圖2所示,，鍵盤總是產(chǎn)生時(shí)鐘信號，從鍵盤發(fā)送到主機(jī)的數(shù)據(jù)在時(shí)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(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(diǎn)滴時(shí)分辨率高。液滴經(jīng)過時(shí)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(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?yàn)镃1作用時(shí)Y信號尚在低電平,，信號被屏蔽，Q2輸出低電平,，門電路在計(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(jìn)電機(jī)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(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(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,，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(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(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(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控制,、點(diǎn)滴速度檢測,、步進(jìn)電機(jī)控制、數(shù)據(jù)顯示,、語音通信及報(bào)警等,。
本系統(tǒng)廣泛吸取了同類系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn),。本系統(tǒng)采用Cycl-one II的FPGA進(jìn)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(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(shí)驗(yàn)測試，系統(tǒng)各檢測傳感器,、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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