基于FPGA控制的输液系统设计[1]

目前，医院输液现场一般是人工控制和监视，但输液速度和输液量是一个很难准确把握的值，护士通过转动输液器上的手动轮来控制输液速度，并通过肉眼观察估计速度，而且输液过程中，医护人员一般不能全程陪护，会给病人和医务人员带来许多安全隐患和不便。本文设计了一种集输液控制、显示、报警、语音通信等多种功能的输液控制系统。

1 系统总体设计

输液监控系统原理如图1所示，包括FPGA控制器、点滴速度检测、余液体积检测、执行机构、键盘控制、LCD显示、语音通信（发送与接收）以及RS232总线转换等部分。

输液控制与语音通信是本文的主要研究内容，也是本系统稳定性和可靠性的根本保证。根据系统要求，设计中以FPGA为控制器，以光纤传感器和容栅传感器为检测机构，以步进电机为执行机构。为了安全和方便，利用RS232总线增设了语音通信和输液完成自动报警等功能。

2 硬件部分

2.1 控制器硬件设计

控制器主芯片采用Altera公司的型号为APEX系列的FPGA芯片，芯片型号为CycloneIIEP2C35F672C6.FPGA芯片采用90nm的低功耗设计、672-PinFineLineBGA封装，内置35个内嵌18×18乘法器、475个用户管脚、4PLLs、205个差分通道（比c8高出一倍的主频，可以达到400MHz）典型值100万门，最大值约160万门。主处理器采用Altera公司的32位Nios软核处理器，与传统的嵌入式处理器相比，NiosⅡ处理器更加灵活。该芯片具有定制特性，可以根据自身的系统要求、性能要求和成本要求进行定制。系统总线采用AVALON总线标准。另外系统具有RS232串行通信口、键盘PIO、LCD显示等外围扩展功能，便于系统的进一步开发，缩短系统的开发周期，降低系统的开发成本[6].

Altera公司简介

Altera的可编程解决方案帮助系统和半导体公司快速高效的实现创新，突出产品优势，赢得市场竞争。自二十年前发明世界上第一个可编程逻辑器件开始，Altera公司秉承了创新的传统，是世界上“可编程芯片系统”（SOPC）解决方案倡导者。Altera公司总部位于美国加州的圣何塞，并在全球的14个中拥有近2000名员工，其2005年度的年收入高达11.23亿美元。Altera将其早在1983年发明的可编程逻辑技术与软件工具、IP和设计服务相结合，向全世界近14,000家客户提供超值的可编程解决方案。

Altera一直在可编程系统级芯片，领域中处于前沿和地位，结合带有软件工具的可编程逻辑技术、知识产权（IP）和技术服务，在世界范围内为14,000多个客户提供高质量的可编程解决方案。我们新产品系列将可编程逻辑的内在优势--灵活性、产品及时面市和更高级性能以及集成化结合在一起，专为满足当今大范围的系统需求而开发设计。Altera可编程解决方案包括：业内最先进的FPGA、CPLD和结构化ASIC技术全面内嵌的软件开发工具最佳的IP内核可定制嵌入式处理器现成的开发包希赛网设计服务

2.2 键盘控制

为了操作方便，系统采用键盘操作。设备履行一种双向同步串行协议，接口中最重要的4根线是数据线、地线、电源线和时钟线。在键盘内部，有一个专门负责扫描按键的处理器，它能检测出某个键被按下或者按下后被释放，并根据按键的类型产生相应的扫描码。键盘发送的扫描码有通码（Make）和断码（Break）两种类型。当键盘上的一个键被按下时，键盘会根据按键类型产生一段通码；当键盘上的一个键按下后被释放时，键盘会根据按键类型再产生一段断码。此处理器为每个按键分配了通码和断码，这样主机通过查找扫描码就可以测定是哪个键被按下或释放。具体方法是启动QuartusⅡ，建立一个名为ps2_keyboard.qpf的工程，选择器件，创建文本文件并编写代码，以接收来自键盘的扫描码，要求对不同的按键做出响应，为器件进行输入输出管脚分配，完成后对工程进行编译。

键盘总是产生时钟信号，从键盘发送到主机的数据在时钟信号的下降沿被读取。键盘的扫描码发送给FPGA,这些扫描码包含在键盘发送给主机的数据帧中。每个数据帧包括1位起始位（总是低电平）、8位数据位（即扫描码，从低位开始发送）、1位奇偶校验位（奇校验）和1位结束位（总是高电平）。

2.3 传感器

点滴速度检测采用在茂菲氏滴管的中部外侧安装一个光纤传感器。因为光电传感器的红外接收管很容易受到外界光线的干扰，并且它的直径一般在2mm以上，体积较大，安装不方便。光纤传感器测量端口面积小，可以做到直径1mm以内，药液点滴时分辨率高。液滴经过时利用液滴对光线的“遮挡”使光纤接收管的接收的光束发生变化，再经过电路处理得到点滴的速度脉冲，再将这种速度脉冲采集信息发送给控制器。为了防止输液速度过快而产生点滴连续流，设计了上下分别安装两个检测光纤，从而避免了少计脉冲数而产生错误的处理结果。电路X为光纤输出电压波形，Y为光纤输出电压波形。一般情况下，点滴离散时只有X计数，点滴连续时XY同时计数，这种方法既安全又稳定可靠。点滴离散时，XY只有一个高电平，或门C1产生的信号作为D锁存器Q1的控制端只允许X产生的正脉冲通过，而D锁存器Q2因为C1作用时Y信号尚在低电平，信号被屏蔽，Q2输出低电平，门电路在计数器中作加法运算。点滴连续时XY同时输出高电平，D锁存器Q2也在计数。OUT0是输出，OUT1是进位，Z是控制端输入。