基于FPGA为核心的多功能输液系统的设计

作者：时间：2012-08-13来源：网络收藏

2.3 传感器

点滴速度检测采用在茂菲氏滴管的中部外侧安装一个光纤传感器。因为光电传感器的红外接收管很容易受到外界光线的干扰，并且它的直径一般在2 mm以上，体积较大，安装不方便。光纤传感器测量端口面积小，可以做到直径1 mm以内，药液点滴时分辨率高。液滴经过时利用液滴对光线的遮挡使光纤接收管的接收的光束发生变化，再经过电路处理得到点滴的速度脉冲，再将这种速度脉冲采集信息发送给控制器。为了防止输液速度过快而产生点滴连续流，设计了上下分别安装两个检测光纤，从而避免了少计脉冲数而产生错误的处理结果。电路X为光纤输出电压波形，Y为光纤输出电压波形。一般情况下，点滴离散时只有X计数，点滴连续时XY同时计数，这种方法既安全又稳定可靠。点滴离散时，XY只有一个高电平，或门C1产生的信号作为D锁存器Q1的控制端只允许X产生的正脉冲通过，而D锁存器Q2因为C1作用时Y信号尚在低电平，信号被屏蔽，Q2输出低电平，门电路在计数器中作加法运算。点滴连续时XY同时输出高电平，D锁存器Q2也在计数。OUT0是输出，OUT1是进位，Z是控制端输入。

余液体积检测采用直线式容栅传感器，固定容栅安装在输液系统底座上，滑动容栅安装在输液系统步进电机带动的丝杠的螺丝母上，丝杠转动使螺母产生水平移动，测量原理如同游标卡尺，这种传感器响应速度快、量程可以达到1 m,误差小于0.01 mm[7].余液体积检测通过滑动容栅移动的距离乘以容器室的截面积而得出。

2.4 执行机构

输液速度控制采用的控制机构由步进电机、丝杠、螺丝母、压缩支架、容器室组成。步进电机在FPGA的控制下进行正反转动，丝杠转动使螺母产生水平移动，压缩支架安装在螺丝上，压缩架压缩容器室，药液包因容器室体积变小而收缩，药液从输液管输出，通过调整步进电机的步进速度，达到控制输液速度的目的。

2.5 语音通信

立体声CODEC芯片WM8731是一个高性能、低功耗的24位音频立体声接口，被广泛应用于各种便携式音乐播放器中。该芯片可以分别设置音频ADC和DAC的采样率，包含microphone-in、line-in和line-out接口，WM8731用I2C接口与FPGA连接。

语音发送接收要有一个合适的波段，本文选定为15.6 MHz.让软件生成一个锁相环变频模块，Audio_DAC_ADC.v需要一个15.6 MHz的时钟，调用FPGA上的锁相环（PLL）资源，让软件生成这个模块的。v文件，然后在de2_top.v中添加这个模块。

添加audio_DAC_ADC模块过程为：

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））；

显示器选用唯信诺公司提供的OLED有机发光显示器，分辨率160×128,6.5K色，用16位并行数据总线与FPGA相连。OLED的控制芯片为LGDP4216,OLED供电电压10 V~21 V,接口供电电压2.2 V~3.3 V.显示区域大小可变，最大160（RGB）×128行，刷新率有7种，默认90 Hz.

2.6 RS232数据传送与报警

使用MAX3232电平转换芯片和9针D型连接器进行串口通信。由于系统是3.3 V供电，因此需要使用MAX3232进行电平转换。MAX3232是3.3 V工作电源的RS232转换芯片。护士室MAX3232适配器端口装有三个LED灯分别用来显示执行状态、数据传送、报警。串口直接连接到CyclII FPGA上。MAX3232芯片包含两组收发器，最大数据传输率250 kb/s.报警功能主要是在护士室显示，绑定在传输模块上，当余液控制达到下限时发生报警。

3 软件设计

输液控制主程序主要由初始化模块和各功能模块组成。初始化模块主要完成对通信、中断、定时的初始状态设置。初态时，RS232通信端口设置为接收状态，波特率设置为19 200 b/s;各功能模块包含键盘控制、点滴速度检测、步进电机控制、数据显示、语音通信及报警等。

本系统采用Cycl-one II的FPGA进行开发，其键盘操作方便快捷，LCD显示一目了然，语音通信及报警功能提高了医患人员的安全感。本系统充分利用了键盘PIO、LCD显示、ADC和DAC音频接口、RS232串行通信口等，缩短了系统的开发周期，降低了系统的开发成本。通过实验测试，系统各检测传感器、控制执行机构、显示、报警等功能正常，性能达到了设计要求。