基于SoPC和Nios II處理器的醫(yī)用呼吸機主控系統(tǒng)設(shè)計
摘要： 現(xiàn)有的呼吸機產(chǎn)品，其主控系統(tǒng)大多基于單片機來實現(xiàn)，對于功能強一些的產(chǎn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜。使用SoPC(可編程片上系統(tǒng))技術(shù)設(shè)計主控系統(tǒng)，可充分利用IP核的強大功能，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。
Abstract：
Key words :
呼吸機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)有的呼吸機產(chǎn)品，其主控系統(tǒng)大多基于單片機來實現(xiàn)，對于功能強一些的產(chǎn)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(jié)構(gòu)復(fù)雜。使用SoPC(可編程片上系統(tǒng))技術(shù)設(shè)計主控系統(tǒng)，可充分利用IP核的強大功能，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F(xiàn)PGA內(nèi)。
醫(yī)用呼吸機
正壓呼吸機是利用增加氣道內(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(jù)PWM信號的占空比和周期來控制電機的轉(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)為核心的呼吸機主控系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 呼吸機系統(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(nèi)，電機根據(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。
直流電機控制
系統(tǒng)使用PWM信號對直流電機進(jìn)行控制。在SOPC Builder提供的標(biāo)準(zhǔn)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(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)邏輯由一個輸入時鐘、一個輸出信號、一個允許位、一個32位計數(shù)器和一個32位的比較器組成；
時鐘驅(qū)動32位計數(shù)器，建立輸出信號的周期；
比較器用來對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；
若當(dāng)前值小于或等于占空比值，則輸出邏輯信號為0，否則為1。
PWM組件的寄存器文件：
clock_divde 在PWM的一個周期中的時鐘周期數(shù)；
duty_cycle PWM輸出為低電平的時鐘周期數(shù)；
enable PWM輸出的允許/禁止。0到1的上升沿使能PWM組件。
將PWM定義寄存器的頭文件和驅(qū)動程序封裝有：
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
對于直流電機來說，PWM占空比需要達(dá)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(qū)動電機，這部分能量會轉(zhuǎn)化為熱量損害電機，所以，設(shè)定PWM值的時候需要注意將值設(shè)在閾值以上，在altera_avalon_pwm_change_duty_cycle()中對所設(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。
以上的設(shè)計全部完成后，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。
按鍵輸入是用戶與系統(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(guān)機；“Set”功能鍵用于LCD中參數(shù)設(shè)置時確定；“Up”和“Down”功能鍵用于改變當(dāng)前選項的內(nèi)容。
按鍵輸出模塊在Nios II內(nèi)使用SOPC Builder提供的PIO模塊搭建，由于要實時響應(yīng)按鍵內(nèi)容，需要開中斷，對按鍵的上升沿進(jìn)行捕捉，當(dāng)有中斷到來時，進(jìn)入中斷寄存器判斷中斷的來源和類型，根據(jù)現(xiàn)在的模式信息決定系統(tǒng)的動作。
LED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。
LCD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，字庫在液晶模塊內(nèi)部含有。
與PC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(jìn)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(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試。這兩個組件在SOPC Builder內(nèi)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(nèi)部添加組件即可使用，對JTAG端口的操作由Quartus軟件內(nèi)部完成。
UART接口與PC機通過RS-232協(xié)議進(jìn)行通訊，可以改變其波特率、奇偶校驗位、停止位、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位以及其他可選的RTS-CTS流控制信號等。實際應(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。
存儲及配置單元
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(shù)據(jù)，通用存儲區(qū)用來存放系統(tǒng)啟動代碼以及程序數(shù)據(jù)。除了SOPC Builder提供的EPCS組件外，Nios II IDE中的Flash Programmer實用程序可把數(shù)據(jù)固化到EPCS芯片中。
FPGA芯片內(nèi)部開出一塊4K大小的RAM，作為程序運行時的緩存區(qū)。
定時器
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(nèi)部的定時器模塊類似，有遞增計數(shù)模式和遞減計數(shù)模式，在計數(shù)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(jìn)行寫操作可設(shè)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(xiàn)長按鍵開關(guān)機或Shift鍵功能。
A/D采樣
A/D采樣主要是為了檢測面罩壓力并反饋，根據(jù)反饋值對壓力進(jìn)行再調(diào)節(jié)。壓力檢測后壓力信號通過Maxim公司的A/D芯片MAX197進(jìn)行采樣。
與PWM組件類似，SOPC Builder也沒有提供相應(yīng)的A/D組件IP核，需自行定制，定制過程與PWM組件相同。
系統(tǒng)軟件設(shè)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(shè)置狀態(tài)：只能在系統(tǒng)斷電后，重新上電時進(jìn)入。除此之外，系統(tǒng)在任何情況下都無法進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)。并且從設(shè)置狀態(tài)只能返回到關(guān)機狀態(tài)。“Up”，“Down”鍵改變選項，“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，再按“On/Off”為關(guān)機；
關(guān)機狀態(tài)：液晶顯示“Off”，且只響應(yīng)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(yīng)“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(diào)整當(dāng)前工作壓力。
對這四種狀態(tài)的切換都基于不同時段不同按鍵的組合，設(shè)計時考慮到治療操作的簡便性，把大多數(shù)操作都放到設(shè)置狀態(tài)內(nèi)進(jìn)行，治療時只需要根據(jù)實際情況略作調(diào)節(jié)即可。
壓力反饋
對于呼吸機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(jìn)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(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。對壓力輸出的調(diào)節(jié)要逐步進(jìn)行，根據(jù)實驗結(jié)果設(shè)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(guān)機時的長按鍵、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。
長按鍵需要對按鍵的觸發(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到后，計數(shù)器開始計數(shù)，到上升沿中斷到來為止，如果計數(shù)大于某一閾值則認(rèn)為該次按鍵為長按鍵。閾值的確定要根據(jù)系統(tǒng)的時鐘頻率以及所需要的延時長度。
系統(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實現(xiàn)，顯示時單行滾動顯示，以便于觀察。
結(jié)語
本文所述的醫(yī)用呼吸機主控系統(tǒng)，樣機已制出，現(xiàn)正進(jìn)行性能測試，目前運行正常。整個系統(tǒng)的設(shè)計重點在定制基于SOPC技術(shù)的嵌入式Nios II軟核處理器設(shè)計和電機驅(qū)動的實現(xiàn)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(nèi)的一小部分資源，卻完成了包括單片機及相當(dāng)數(shù)量外設(shè)的功能，這樣既簡化了電路板設(shè)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(fù)雜度，降低了成本，縮短開發(fā)周期，更便于對未來產(chǎn)品的升級換代。
參考文獻(xiàn)：
1. 李蘭英，Nios II嵌入式軟核——SOPC設(shè)計原理及應(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)計與實踐，清華大學(xué)出版社，2004
此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。