基于SoPC和Nios II處理器的醫(yī)用呼吸機主控系統(tǒng)設計

以Altera公司FPGA芯片為平臺，利用SoPC技術和Nios II處理器設計并實現了醫(yī)用呼吸機的主控系統(tǒng)?！　『粑鼨C是可以代替人的呼吸功能或輔助人的呼吸功能的儀器。它適用于呼吸衰竭、甚至停止呼吸的病人做人工呼吸之用。它能幫助病人糾正缺氧和排出二氧化碳，是挽救某些危重病人生命的重要工具?！　‖F有的呼吸機產品，其主控系統(tǒng)大多基于單片機來實現，對于功能強一些的產品就需要使用高端單片機，這樣使得系統(tǒng)的成本比較高，而且外圍的接口模塊較多，結構復雜。使用SoPC(可編程片上系統(tǒng))技術設計主控系統(tǒng)，可充分利用IP核的強大功能，精簡外設數量，與此同時只占用了很小部分的資源，大大提高了系統(tǒng)的性價比?！　”疚睦肧oPC技術設計了持續(xù)氣道正壓通氣呼吸機的主控系統(tǒng)，使用了Altera公司的Nios II軟核處理器以及一些通用的IP核，筆者基于Avalon總線規(guī)范定制了組件，將控制邏輯全部集成至單片FPGA內?！　♂t(yī)用呼吸機　　正壓呼吸機是利用增加氣道內壓力的方法將空氣送入肺內，肺內的壓力增大使肺腔擴張。當壓力失去后，由于肺腔組織的彈性，將肺恢復到原來的形狀，而使經過交換的一部分空氣呼出體外。目前，大部分呼吸機都是利用這種增加氣道內壓力的方法給病人送氣的?！　『粑鼨C所需的氣壓采用直流電機來提供，直流電機的控制信號為PWM信號，根據PWM信號的占空比和周期來控制電機的轉速。外部接口提供按鍵來接受命令，設定各種參數。提示信息、狀態(tài)信息、參數信息通過字符型LCD顯示。為了便于對系統(tǒng)進行測試，使用UART為命令控制接口，對系統(tǒng)進行直接控制，該接口在成品后即被隱去?！　∠到y(tǒng)結構　　以SOPC技術為核心的呼吸機主控系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 呼吸機系統(tǒng)硬件結構框圖　　主控系統(tǒng)的核心FPGA采用Altera公司Cyclone系列的EP1C6T144C8。CPU即為Nios II軟核處理器，對整個系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。折線框內為主控板，除下載、調試用的PC機外，對直流電機及主控板需單獨供電。直流電機工作后將氣流送至面罩內，電機根據端的信號來調節(jié)氣流的大小。在面罩內裝有壓力檢測模塊，通過A/D轉換返回至主控板，用來對氣流進行回饋調節(jié)。面罩供患者使用。　　直流電機控制　　系統(tǒng)使用PWM信號對直流電機進行控制。在SOPC Builder提供的標準IP核中是沒有PWM組件的，需要自行定制，PWM組件的輸出信號是方波，方波的周期及占空比可調。PWM任務邏輯結構示于圖2。圖2 PWM任務邏輯結構　　PWM組件的任務邏輯有： PWM任務邏輯由一個輸入時鐘、一個輸出信號、一個允許位、一個32位計數器和一個32位的比較器組成； 時鐘驅動32位計數器，建立輸出信號的周期； 比較器用來對32位比較器的當前值和占空比值進行比較，決定所輸出的信號； 若當前值小于或等于占空比值，則輸出邏輯信號為0，否則為1?！　WM組件的寄存器文件：clock_divde 在PWM的一個周期中的時鐘周期數；duty_cycle PWM輸出為低電平的時鐘周期數；enable PWM輸出的允許/禁止。0到1的上升沿使能PWM組件?！　WM定義寄存器的頭文件和驅動程序封裝有：　　altera_avalon_pwm_init(); //PWM模塊初始化，包括周期設置　　altera_avalon_pwm_enable(); //PWM模塊使能　　altera_avalon_p wm_disable(); //PWM模塊禁止　　altera_avalon_ pwm_change_duty _cycle(); //PWM模塊占空比調整　　對于直流電機來說，PWM占空比需要達到一定量才能使電機工作，低于閾值(PWM_DUTY_THRESHOLD)的PWM信號不能驅動電機，這部分能量會轉化為熱量損害電機，所以，設定PWM值的時候需要注意將值設在閾值以上，在altera_avalon_pwm_change_duty_cycle()中對所設定的值進行判斷，如果值低于PWM_DUTY_THRESHOLD則調整為PWM_DUTY_THRESHOLD＋1?！　∫陨系脑O計全部完成后，在SOPC Builder內將其封裝成為SOPC組件。輸出及指示模塊　　系統(tǒng)需要輸入設置、控制以及顯示提示，這部分功能包括有按鍵輸入、LED指示燈輸出、蜂鳴器輸出、液晶輸出等?！　“存I輸入是用戶與系統(tǒng)交互的重要接口，鍵盤板上共設有4個按鍵，一個為“On/Off”鍵，一個為“Set”鍵，一個為“Up”鍵，一個為“Down”鍵。“On/Off”功能鍵用于系統(tǒng)開機、關機；“Set”功能鍵用于LCD中參數設置時確定；“Up”和“Down”功能鍵用于改變當前選項的內容?！　“存I輸出模塊在Nios II內使用SOPC Builder提供的PIO模塊搭建，由于要實時響應按鍵內容，需要開中斷，對按鍵的上升沿進行捕捉，當有中斷到來時，進入中斷寄存器判斷中斷的來源和類型，根據現在的模式信息決定系統(tǒng)的動作?！　ED顯示及蜂鳴器輸出也使用PIO模塊搭建，為使得電流充裕采用共陽極接法?！　CD顯示使用的是1602的通用液晶模塊，在SOPC Builder內提供有相應的IP核。液晶為16×2的形式，可顯示英文字母及數字，字庫在液晶模塊內部含有?！　∨cPC機通訊的接口　　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，對完成的程序進行系統(tǒng)的調試。這兩個組件在SOPC Builder內均有提供，可直接使用。JTAG接口無需過多配置，外部硬件連接完成后，在內部添加組件即可使用，對JTAG端口的操作由Quartus軟件內部完成?！　ART接口與PC機通過RS-232協(xié)議進行通訊，可以改變其波特率、奇偶校驗位、停止位、傳輸的數據位以及其他可選的RTS-CTS流控制信號等。實際應用中波特率使用115200，8位數據位，1位停止位，帶奇偶校驗位，流控制則設為none。外部硬件連接使用MAX3232作為電平轉換芯片?！　〈鎯芭渲脝卧　PGA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配置的數據，通用存儲區(qū)用來存放系統(tǒng)啟動代碼以及程序數據。除了SOPC Builder提供的EPCS組件外，Nios II IDE中的Flash Programmer實用程序可把數據固化到EPCS芯片中?！　PGA芯片內部開出一塊4K大小的RAM，作為程序運行時的緩存區(qū)?！　《〞r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內部的定時器模塊類似，有遞增計數模式和遞減計數模式，在計數器為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寄存器進行寫操作可設定定時器的周期。系統(tǒng)中使用定時器模塊計時，用來判斷命令執(zhí)行時間的長短，按鍵時長等功能，開中斷后可實現長按鍵開關機或Shift鍵功能?！　/D采樣　　A/D采樣主要是為了檢測面罩壓力并反饋，根據反饋值對壓力進行再調節(jié)。壓力檢測后壓力信號通過Maxim公司的A/D芯片MAX197進行采樣?！　∨cPWM組件類似，SOPC Builder也沒有提供相應的A/D組件IP核，需自行定制，定制過程與PWM組件相同?！　∠到y(tǒng)軟件設計　　系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。圖3 呼吸機工作流程　　工作狀態(tài)　　設置狀態(tài)：只能在系統(tǒng)斷電后，重新上電時進入。除此之外，系統(tǒng)在任何情況下都無法進入設置狀態(tài)。并且從設置狀態(tài)只能返回到關機狀態(tài)。“Up”，“Down”鍵改變選項，“Set”鍵進入設置或確認設置，“On/Off”取消設置或退出當前這層設置界面，當已退到最初設置界面時，再按“On/Off”為關機；　　關機狀態(tài)：液晶顯示“Off”，且只響應開機鍵和命令；　　待機狀態(tài)：液晶顯示治療壓力的延時；　　治療狀態(tài)：響應“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整當前工作壓力?！　@四種狀態(tài)的切換都基于不同時段不同按鍵的組合，設計時考慮到治療操作的簡便性，把大多數操作都放到設置狀態(tài)內進行，治療時只需要根據實際情況略作調節(jié)即可?！　毫Ψ答仭　τ诤粑鼨C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。在電機有輸出有波動的時候，加一級反饋來對壓力進行補償輸出，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采樣的結果與預先設定的值進行比較，如果低于設定值，則對輸出值進行相應的提升；如果高于設定值，則減少輸出值。對壓力輸出的調節(jié)要逐步進行，根據實驗結果設定步長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，還有開關機時的長按鍵、進入設置狀態(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上進行的?！　￠L按鍵需要對按鍵的觸發(fā)的上升沿和下降沿都進行判斷，單次按鍵的下降沿中斷來到后，計數器開始計數，到上升沿中斷到來為止，如果計數大于某一閾值則認為該次按鍵為長按鍵。閾值的確定要根據系統(tǒng)的時鐘頻率以及所需要的延時長度?！　∠到y(tǒng)的顯示主要依靠LCD，16×2的液晶上只能顯示兩行菜單，但菜單的總條數遠大于兩條，為此，菜單數組的顯示和執(zhí)行就需要兩套指針來實現，顯示時單行滾動顯示，以便于觀察?！　〗Y語　　本文所述的醫(yī)用呼吸機主控系統(tǒng)，樣機已制出，現正進行性能測試，目前運行正常。整個系統(tǒng)的設計重點在定制基于SOPC技術的嵌入式Nios II軟核處理器設計和電機驅動的實現上，與傳統(tǒng)的基于單片機的方案相比，Nios II只占用了FPGA芯片內的一小部分資源，卻完成了包括單片機及相當數量外設的功能，這樣既簡化了電路板設計，減少外圍器件的配置，又有效地控制了系統(tǒng)軟硬件的復雜度，降低了成本，縮短開發(fā)周期，更便于對未來產品的升級換代。　　參考文獻：　　1. 李蘭英，Nios II嵌入式軟核——SOPC設計原理及應用，北京航空航天大學出版社，2006.11　　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設計與實踐，清華大學出版社，2004