基于FPGA為核心的多功能輸液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.3 傳感器

點(diǎn)滴速度檢測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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。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(hào)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(hào)尚在低電平，信號(hào)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(cè)采用直線式容柵傳感器，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(cè)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(cè)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：

reg signed [15:0] audio_outR;

wire signed [15:0] audio_outL;

wire signed [15:0] audio_inL, audio_inR;

AUDIO_DAC_ADC u2 （//Audio Side

.oAUD_BCK（AUD_BCLK），

.oAUD_DATA（AUD_DACDAT），

.oAUD_LRCK（AUD_DACLRCK），

.oAUD_inL（audio_inL），/audio left data from ADC

.oAUD_inR（audio_inR），//audio right data from ADC

.iAUD_ADCDAT（AUD_ADCDAT），

.iAUD_extL（audio_outL），//audio left data to DAC

iAUD_extR（audio_outR），//audio right data to DAC

//Control Signals

.iCLK_15_6（AUD_CTRL_CLK），

.iRST_N（1′b1））；

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.

2.6 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。初始化模塊主要完成對(duì)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(cè)、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)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(cè)試，系統(tǒng)各檢測(cè)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。