基于SOPC的醫(yī)用呼吸機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呼吸機(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。

現(xiàn)有的呼吸機(jī)產(chǎn)品，其主控系統(tǒng)大多基于單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，對于功能強(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，精簡外設(shè)數(shù)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。

本文利用SOPC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)。

醫(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)到原來的形狀，而使經(jīng)過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。

呼吸機(jī)所需的氣壓采用直流電機(jī)來提供，直流電機(jī)的控制信號為PWM信號，根據(jù)PWM信號的占空比和周期來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。外部接口提供按鍵來接受命令，設(shè)定各種參數(shù)。提示信息、狀態(tài)信息、參數(shù)信息通過字符型LCD顯示。為了便于對系統(tǒng)進(jìn)行測試，使用UART為命令控制接口，對系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，該接口在成品后即被隱去。

系統(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，對整個系統(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)端的信號來調(diào)節(jié)氣流的大小。在面罩內(nèi)裝有壓力檢測模塊，通過A/D轉(zhuǎn)換返回至主控板，用來對氣流進(jìn)行回饋調(diào)節(jié)。面罩供患者使用。