基于FPGA為核心的多功能輸液系統的設計

2.3 傳感器

點滴速度檢測采用在茂菲氏滴管的中部外側安裝一個光纖傳感器。因為光電傳感器的紅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。光纖傳感器測量端口面積小，可以做到直徑1 mm以內，藥液點滴時分辨率高。液滴經過時利用液滴對光線的遮擋使光纖接收管的接收的光束發生變化，再經過電路處理得到點滴的速度脈沖，再將這種速度脈沖采集信息發送給控制器。為了防止輸液速度過快而產生點滴連續流，設計了上下分別安裝兩個檢測光纖，從而避免了少計脈沖數而產生錯誤的處理結果。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，點滴離散時只有X計數，點滴連續時XY同時計數，這種方法既安全又穩定可靠。點滴離散時，XY只有一個高電平，或門C1產生的信號作為D鎖存器Q1的控制端只允許X產生的正脈沖通過，而D鎖存器Q2因為C1作用時Y信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q2輸出低電平，門電路在計數器中作加法運算。點滴連續時XY同時輸出高電平，D鎖存器Q2也在計數。OUT0是輸出，OUT1是進位，Z是控制端輸入。

余液體積檢測采用直線式容柵傳感器，固定容柵安裝在輸液系統底座上，滑動容柵安裝在輸液系統步進電機帶動的絲杠的螺絲母上，絲杠轉動使螺母產生水平移動，測量原理如同游標卡尺，這種傳感器響應速度快、量程可以達到1 m,誤差小于0.01 mm[7].余液體積檢測通過滑動容柵移動的距離乘以容器室的截面積而得出。

2.4 執行機構

輸液速度控制采用的控制機構由步進電機、絲杠、螺絲母、壓縮支架、容器室組成。步進電機在FPGA的控制下進行正反轉動，絲杠轉動使螺母產生水平移動，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，通過調整步進電機的步進速度，達到控制輸液速度的目的。

2.5 語音通信

立體聲CODEC芯片WM8731是一個高性能、低功耗的24位音頻立體聲接口，被廣泛應用于各種便攜式音樂播放器中。該芯片可以分別設置音頻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。

語音發送接收要有一個合適的波段，本文選定為15.6 MHz.讓軟件生成一個鎖相環變頻模塊，Audio_DAC_ADC.v需要一個15.6 MHz的時鐘，調用FPGA上的鎖相環（PLL）資源，讓軟件生成這個模塊的。v文件，然后在de2_top.v中添加這個模塊。

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有機發光顯示器，分辨率160×128,6.5K色，用16位并行數據總線與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.顯示區域大小可變，最大160（RGB）×128行，刷新率有7種，默認90 Hz.

2.6 RS232數據傳送與報警

使用MAX3232電平轉換芯片和9針D型連接器進行串口通信。由于系統是3.3 V供電，因此需要使用MAX3232進行電平轉換。MAX3232是3.3 V工作電源的RS232轉換芯片。護士室MAX3232適配器端口裝有三個LED燈分別用來顯示執行狀態、數據傳送、報警。串口直接連接到CyclII FPGA上。MAX3232芯片包含兩組收發器，最大數據傳輸率250 kb/s.報警功能主要是在護士室顯示，綁定在傳輸模塊上，當余液控制達到下限時發生報警。

3 軟件設計

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通信、中斷、定時的初始狀態設置。初態時，RS232通信端口設置為接收狀態，波特率設置為19 200 b/s;各功能模塊包含鍵盤控制、點滴速度檢測、步進電機控制、數據顯示、語音通信及報警等。

本系統采用Cycl-one II的FPGA進行開發，其鍵盤操作方便快捷，LCD顯示一目了然，語音通信及報警功能提高了醫患人員的安全感。本系統充分利用了鍵盤PIO、LCD顯示、ADC和DAC音頻接口、RS232串行通信口等，縮短了系統的開發周期，降低了系統的開發成本。通過實驗測試，系統各檢測傳感器、控制執行機構、顯示、報警等功能正常，性能達到了設計要求。