基于SoPC和Nios II處理器的醫(yī)用呼吸機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以Altera公司FPGA芯片為平臺(tái)，利用SoPC技術(shù)和Nios II處理器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了醫(yī)用呼吸機(jī)的主控系統(tǒng)?！　『粑鼨C(jī)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(xiàn)有的呼吸機(jī)產(chǎn)品，其主控系統(tǒng)大多基于單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于功能強(qiáng)一些的產(chǎn)品就需要使用高端單片機(jī)，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(jié)構(gòu)復(fù)雜。使用SoPC(可編程片上系統(tǒng))技術(shù)設(shè)計(jì)主控系統(tǒng)，可充分利用IP核的強(qiáng)大功能，精簡(jiǎn)外設(shè)數(shù)量，與此同時(shí)只占用了很小部分的資源，大大提高了系統(tǒng)的性價(jià)比?！　”疚睦肧oPC技術(shù)設(shè)計(jì)了持續(xù)氣道正壓通氣呼吸機(jī)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F(xiàn)PGA內(nèi)?！　♂t(yī)用呼吸機(jī)　　正壓呼吸機(jī)是利用增加氣道內(nèi)壓力的方法將空氣送入肺內(nèi)，肺內(nèi)的壓力增大使肺腔擴(kuò)張。當(dāng)壓力失去后，由于肺腔組織的彈性，將肺恢復(fù)到原來(lái)的形狀，而使經(jīng)過(guò)交換的一部分空氣呼出體外。目前，大部分呼吸機(jī)都是利用這種增加氣道內(nèi)壓力的方法給病人送氣的?！　『粑鼨C(jī)所需的氣壓采用直流電機(jī)來(lái)提供，直流電機(jī)的控制信號(hào)為PWM信號(hào)，根據(jù)PWM信號(hào)的占空比和周期來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。外部接口提供按鍵來(lái)接受命令，設(shè)定各種參數(shù)。提示信息、狀態(tài)信息、參數(shù)信息通過(guò)字符型LCD顯示。為了便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，使用UART為命令控制接口，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，該接口在成品后即被隱去?！　∠到y(tǒng)結(jié)構(gòu)　　以SOPC技術(shù)為核心的呼吸機(jī)主控系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 呼吸機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。折線框內(nèi)為主控板，除下載、調(diào)試用的PC機(jī)外，對(duì)直流電機(jī)及主控板需單獨(dú)供電。直流電機(jī)工作后將氣流送至面罩內(nèi)，電機(jī)根據(jù)端的信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)氣流的大小。在面罩內(nèi)裝有壓力檢測(cè)模塊，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換返回至主控板，用來(lái)對(duì)氣流進(jìn)行回饋調(diào)節(jié)。面罩供患者使用。　　直流電機(jī)控制　　系統(tǒng)使用PWM信號(hào)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。在SOPC Builder提供的標(biāo)準(zhǔn)IP核中是沒(méi)有PWM組件的，需要自行定制，PWM組件的輸出信號(hào)是方波，方波的周期及占空比可調(diào)。PWM任務(wù)邏輯結(jié)構(gòu)示于圖2。圖2 PWM任務(wù)邏輯結(jié)構(gòu)　　PWM組件的任務(wù)邏輯有： PWM任務(wù)邏輯由一個(gè)輸入時(shí)鐘、一個(gè)輸出信號(hào)、一個(gè)允許位、一個(gè)32位計(jì)數(shù)器和一個(gè)32位的比較器組成； 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)32位計(jì)數(shù)器，建立輸出信號(hào)的周期； 比較器用來(lái)對(duì)32位比較器的當(dāng)前值和占空比值進(jìn)行比較，決定所輸出的信號(hào)； 若當(dāng)前值小于或等于占空比值，則輸出邏輯信號(hào)為0，否則為1。　　PWM組件的寄存器文件：clock_divde 在PWM的一個(gè)周期中的時(shí)鐘周期數(shù)；duty_cycle PWM輸出為低電平的時(shí)鐘周期數(shù)；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(qū)動(dòng)程序封裝有：　　altera_avalon_pwm_init(); //PWM模塊初始化，包括周期設(shè)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(diào)整　　對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，PWM占空比需要達(dá)到一定量才能使電機(jī)工作，低于閾值(PWM_DUTY_THRESHOLD)的PWM信號(hào)不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這部分能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量損害電機(jī)，所以，設(shè)定PWM值的時(shí)候需要注意將值設(shè)在閾值以上，在altera_avalon_pwm_change_duty_cycle()中對(duì)所設(shè)定的值進(jìn)行判斷，如果值低于PWM_DUTY_THRESHOLD則調(diào)整為PWM_DUTY_THRESHOLD＋1?！　∫陨系脑O(shè)計(jì)全部完成后，在SOPC Builder內(nèi)將其封裝成為SOPC組件。輸出及指示模塊　　系統(tǒng)需要輸入設(shè)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(shè)有4個(gè)按鍵，一個(gè)為“On/Off”鍵，一個(gè)為“Set”鍵，一個(gè)為“Up”鍵，一個(gè)為“Down”鍵。“On/Off”功能鍵用于系統(tǒng)開機(jī)、關(guān)機(jī)；“Set”功能鍵用于LCD中參數(shù)設(shè)置時(shí)確定；“Up”和“Down”功能鍵用于改變當(dāng)前選項(xiàng)的內(nèi)容?！　“存I輸出模塊在Nios II內(nèi)使用SOPC Builder提供的PIO模塊搭建，由于要實(shí)時(shí)響應(yīng)按鍵內(nèi)容，需要開中斷，對(duì)按鍵的上升沿進(jìn)行捕捉，當(dāng)有中斷到來(lái)時(shí)，進(jìn)入中斷寄存器判斷中斷的來(lái)源和類型，根據(jù)現(xiàn)在的模式信息決定系統(tǒng)的動(dòng)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(yáng)極接法?！　CD顯示使用的是1602的通用液晶模塊，在SOPC Builder內(nèi)提供有相應(yīng)的IP核。液晶為16×2的形式，可顯示英文字母及數(shù)字，字庫(kù)在液晶模塊內(nèi)部含有?！　∨cPC機(jī)通訊的接口　　系統(tǒng)與PC通訊有兩個(gè)接口，JTAG接口和UART接口。JTAG接口用來(lái)對(duì)FPGA進(jìn)行配置及程序下載；UART接口則作為命令控制接口，對(duì)完成的程序進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試。這兩個(gè)組件在SOPC Builder內(nèi)均有提供，可直接使用。JTAG接口無(wú)需過(guò)多配置，外部硬件連接完成后，在內(nèi)部添加組件即可使用，對(duì)JTAG端口的操作由Quartus軟件內(nèi)部完成?！　ART接口與PC機(jī)通過(guò)RS-232協(xié)議進(jìn)行通訊，可以改變其波特率、奇偶校驗(yàn)位、停止位、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位以及其他可選的RTS-CTS流控制信號(hào)等。實(shí)際應(yīng)用中波特率使用115200，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，帶奇偶校驗(yàn)位，流控制則設(shè)為none。外部硬件連接使用MAX3232作為電平轉(zhuǎn)換芯片?！　〈鎯?chǔ)及配置單元　　FPGA使用AS配置模式，配置芯片為EPCS4。EPCS4芯片中的存儲(chǔ)區(qū)可分為兩個(gè)區(qū)：FPGA配置存儲(chǔ)區(qū)用來(lái)保存FPGA配置的數(shù)據(jù)，通用存儲(chǔ)區(qū)用來(lái)存放系統(tǒng)啟動(dòng)代碼以及程序數(shù)據(jù)。除了SOPC Builder提供的EPCS組件外，Nios II IDE中的Flash Programmer實(shí)用程序可把數(shù)據(jù)固化到EPCS芯片中?！　PGA芯片內(nèi)部開出一塊4K大小的RAM，作為程序運(yùn)行時(shí)的緩存區(qū)。　　定時(shí)器　　SOPC Builder提供的定時(shí)器是一個(gè)32位的間隔定時(shí)器，與我們常見到的單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器模塊類似，有遞增計(jì)數(shù)模式和遞減計(jì)數(shù)模式，在計(jì)數(shù)器為0時(shí)可生成中斷，也可令周期脈沖發(fā)生器輸出一個(gè)脈沖。對(duì)periodl和periodh寄存器進(jìn)行寫操作可設(shè)定定時(shí)器的周期。系統(tǒng)中使用定時(shí)器模塊計(jì)時(shí)，用來(lái)判斷命令執(zhí)行時(shí)間的長(zhǎng)短，按鍵時(shí)長(zhǎng)等功能，開中斷后可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)按鍵開關(guān)機(jī)或Shift鍵功能?！　/D采樣　　A/D采樣主要是為了檢測(cè)面罩壓力并反饋，根據(jù)反饋值對(duì)壓力進(jìn)行再調(diào)節(jié)。壓力檢測(cè)后壓力信號(hào)通過(guò)Maxim公司的A/D芯片MAX197進(jìn)行采樣?！　∨cPWM組件類似，SOPC Builder也沒(méi)有提供相應(yīng)的A/D組件IP核，需自行定制，定制過(guò)程與PWM組件相同?！　∠到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)　　系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。圖3 呼吸機(jī)工作流程　　工作狀態(tài)　　設(shè)置狀態(tài)：只能在系統(tǒng)斷電后，重新上電時(shí)進(jìn)入。除此之外，系統(tǒng)在任何情況下都無(wú)法進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)。并且從設(shè)置狀態(tài)只能返回到關(guān)機(jī)狀態(tài)。“Up”，“Down”鍵改變選項(xiàng)，“Set”鍵進(jìn)入設(shè)置或確認(rèn)設(shè)置，“On/Off”取消設(shè)置或退出當(dāng)前這層設(shè)置界面，當(dāng)已退到最初設(shè)置界面時(shí)，再按“On/Off”為關(guān)機(jī)；　　關(guān)機(jī)狀態(tài)：液晶顯示“Off”，且只響應(yīng)開機(jī)鍵和命令；　　待機(jī)狀態(tài)：液晶顯示治療壓力的延時(shí)；　　治療狀態(tài)：響應(yīng)“On/Off”鍵， “Up”鍵和“Down”鍵。其中，“On/Off”鍵用于“啟動(dòng)/停止”治療；“Up”和“Down”用于以0.5厘米水柱的壓力為步長(zhǎng)調(diào)整當(dāng)前工作壓力?！　?duì)這四種狀態(tài)的切換都基于不同時(shí)段不同按鍵的組合，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到治療操作的簡(jiǎn)便性，把大多數(shù)操作都放到設(shè)置狀態(tài)內(nèi)進(jìn)行，治療時(shí)只需要根據(jù)實(shí)際情況略作調(diào)節(jié)即可?！　毫Ψ答仭　?duì)于呼吸機(jī)這種直接面對(duì)病患的醫(yī)療器械，安全性是非常重要的，另外，對(duì)所加壓力的精度要求也比較高，就算是5%的壓力變化對(duì)于一個(gè)病人的呼吸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也是不小的壓力。在電機(jī)有輸出有波動(dòng)的時(shí)候，加一級(jí)反饋來(lái)對(duì)壓力進(jìn)行補(bǔ)償輸出，可以防止突然間的誤動(dòng)作以及供電電壓波動(dòng)帶來(lái)的壓力精度偏移?！　/D采樣的結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，如果低于設(shè)定值，則對(duì)輸出值進(jìn)行相應(yīng)的提升；如果高于設(shè)定值，則減少輸出值。對(duì)壓力輸出的調(diào)節(jié)要逐步進(jìn)行，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)定步長(zhǎng)PWM_T_STEP，每次變化只增減PWM_T_STEP的值，這樣不會(huì)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(duì)按鍵的要求比較多，除了正常的單次按鍵外，還有開關(guān)機(jī)時(shí)的長(zhǎng)按鍵、進(jìn)入設(shè)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(chǔ)上進(jìn)行的?！　￠L(zhǎng)按鍵需要對(duì)按鍵的觸發(fā)的上升沿和下降沿都進(jìn)行判斷，單次按鍵的下降沿中斷來(lái)到后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，到上升沿中斷到來(lái)為止，如果計(jì)數(shù)大于某一閾值則認(rèn)為該次按鍵為長(zhǎng)按鍵。閾值的確定要根據(jù)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率以及所需要的延時(shí)長(zhǎng)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(shù)遠(yuǎn)大于兩條，為此，菜單數(shù)組的顯示和執(zhí)行就需要兩套指針來(lái)實(shí)現(xiàn)，顯示時(shí)單行滾動(dòng)顯示，以便于觀察?！　〗Y(jié)語(yǔ)　　本文所述的醫(yī)用呼吸機(jī)主控系統(tǒng)，樣機(jī)已制出，現(xiàn)正進(jìn)行性能測(cè)試，目前運(yùn)行正常。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在定制基于SOPC技術(shù)的嵌入式Nios II軟核處理器設(shè)計(jì)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)上，與傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的方案相比，Nios II只占用了FPGA芯片內(nèi)的一小部分資源，卻完成了包括單片機(jī)及相當(dāng)數(shù)量外設(shè)的功能，這樣既簡(jiǎn)化了電路板設(shè)計(jì)，減少外圍器件的配置，又有效地控制了系統(tǒng)軟硬件的復(fù)雜度，降低了成本，縮短開發(fā)周期，更便于對(duì)未來(lái)產(chǎn)品的升級(jí)換代。　　參考文獻(xiàn)：　　1. 李蘭英，Nios II嵌入式軟核——SOPC設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用，北京航空航天大學(xué)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(shè)計(jì)與實(shí)踐，清華大學(xué)出版社，2004