基于FPGA為核心的多功能輸液系統(tǒng)的設(shè)計

今朝醫(yī)護人員一般不能全程陪護，會給病人和醫(yī)務(wù)人員帶來良多平安隱患和未便。本文設(shè)計了一種集輸液節(jié)制、顯示、報警、語音通信等多種功能的輸液節(jié)制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

輸液監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖1所示，包括FPGA控制器、點滴速度檢測、余液體積檢測、執(zhí)行機構(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)計中以FPGA為控制器，以光纖傳感器和容柵傳感器為檢測機構(gòu)，以步進電機為執(zhí)行機構(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警等功能。

2 硬件部分

2.1 控制器硬件設(shè)計

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、672-Pin FineLine BGA封裝，內(nèi)置35個內(nèi)嵌18×18乘法器、475個用戶管腳、4PLLs、205個差分通道（比c8高出一倍的主頻，可以達到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行定制。系統(tǒng)總線采用AVALON總線標準。另外系統(tǒng)具有RS232串行通信口、鍵盤PIO、LCD顯示等外圍擴展功能，便于系統(tǒng)的進一步開發(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、電源線和時鐘線。在鍵盤內(nèi)部，有一個專門負責掃描按鍵的處理器，它能檢測出某個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。當鍵盤上的一個鍵被按下時，鍵盤會根據(jù)按鍵類型產(chǎn)生一段通碼；當鍵盤上的一個鍵按下后被釋放時，鍵盤會根據(jù)按鍵類型再產(chǎn)生一段斷碼。此處理器為每個按鍵分配了唯一的通碼和斷碼，這樣主機通過查找唯一的掃描碼就可以測定是哪個鍵被按下或釋放。具體方法是啟動QuartusⅡ，建立一個名為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)，為器件進行輸入輸出管腳分配，完成后對工程進行編譯。

鍵盤總是產(chǎn)生時鐘信號，從鍵盤發(fā)送到主機的數(shù)據(jù)在時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)送給主機的數(shù)據(jù)幀中。每個數(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位奇偶校驗位（奇校驗）和1位結(jié)束位（總是高電平）。