基于FPGA控制的輸液系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊志成，張利霞，閆貴琴，樊曉兵

（北京聯(lián)合大學(xué) 生物化學(xué)工程學(xué)院，北京100023）

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(dòng)輸液器上的手動(dòng)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(huì)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(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公司的型號為APEX系列的FPGA芯片,芯片型號為 Cycl-one 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(huì)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(huì)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(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(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(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：

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。

圖5 輸液控制主程序流程圖

[1]蔣廷松.基于AT89C52的多功能輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，25(2)：34-36.

[2]李蕾,張曉蓉,莊匯文.一種輸液檢測報(bào)警裝置的研制[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2003,18(3)：14-15.

[3]張益清,張陽,呂大偉.病人輸液微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)量技術(shù),1995，39（7）：16-18.

[4]張益清,呂大偉,張陽，等.病人輸液情況微機(jī)監(jiān)控集中顯示儀[J].自動(dòng)化與儀器儀表,1995，15（4）：12-15.

[5]張益清,呂大偉,張陽，等.可用于病人輸液情況自動(dòng)監(jiān)測和液滴監(jiān)視系統(tǒng)[J].測控技術(shù),1995，14（14）：27-28.

[6]Cycl-one II EP2C35F672C6[EB/OL].[2010-04-20].www.parts.digikey.ca/1/3/cyclone-ii-ep2c35f672c6-fpga.

[7]梁森.自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：132-134.