基于FPGA為核心的多功能輸液系統的設計

今朝醫護人員一般不能全程陪護，會給病人和醫務人員帶來良多平安隱患和未便。本文設計了一種集輸液節制、顯示、報警、語音通信等多種功能的輸液節制系統。

1 系統總體設計

輸液監控系統原理如圖1所示，包括FPGA控制器、點滴速度檢測、余液體積檢測、執行機構、鍵盤控制、LCD顯示、語音通信（發送與接收）以及RS232總線轉換等部分。

輸液控制與語音通信是本文的主要研究內容，也是本系統穩定性和可靠性的根本保證。根據系統要求，設計中以FPGA為控制器，以光纖傳感器和容柵傳感器為檢測機構，以步進電機為執行機構。為了安全和方便，利用RS232總線增設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的低功耗設計、672-Pin FineLine BGA封裝，內置35個內嵌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，可以根據自身的系統要求、性能要求和成本要求進行定制。系統總線采用AVALON總線標準。另外系統具有RS232串行通信口、鍵盤PIO、LCD顯示等外圍擴展功能，便于系統的進一步開發，縮短系統的開發周期，降低系統的開發成本[6].

2.2 鍵盤控制

為了操作方便，系統采用鍵盤操作。設備履行一種雙向同步串行協議，接口中最重要的4根線是數據線、地線、電源線和時鐘線。在鍵盤內部，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，并根據按鍵的類型產生相應的掃描碼。鍵盤發送的掃描碼有通碼（Make）和斷碼（Break）兩種類型。當鍵盤上的一個鍵被按下時，鍵盤會根據按鍵類型產生一段通碼；當鍵盤上的一個鍵按下后被釋放時，鍵盤會根據按鍵類型再產生一段斷碼。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，為器件進行輸入輸出管腳分配，完成后對工程進行編譯。

鍵盤總是產生時鐘信號，從鍵盤發送到主機的數據在時鐘信號的下降沿被讀取。鍵盤的掃描碼發送給FPGA,這些掃描碼包含在鍵盤發送給主機的數據幀中。每個數據幀包括1位起始位（總是低電平）、8位數據位（即掃描碼，從低位開始發送）、1位奇偶校驗位（奇校驗）和1位結束位（總是高電平）。