基于SOPC技術的醫用呼吸機主控系統設計方案

　　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。

　　現有的呼吸機產品，其主控系統大多基于單片機來實現，對于功能強一些的產品就需要使用高端單片機，這樣使得系統的成本比較高，而且外圍的接口模塊較多，結構復雜。使用SOPC(可編程片上系統)技術設計主控系統，可充分利用IP核的強大功能，精簡外設數量，與此同時只占用了很小部分的資源，大大提高了系統的性價比。

　　本文利用SOPC技術設計了持續氣道正壓通氣呼吸機的主控系統，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總線規范定制了組件，將控制邏輯全部集成至單片FPGA內。

　　醫用呼吸機

　　正壓呼吸機是利用增加氣道內壓力的方法將空氣送入肺內，肺內的壓力增大使肺腔擴張。當壓力失去后，由于肺腔組織的彈性，將肺恢復到原來的形狀，而使經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PWM信號的占空比和周期來控制電機的轉速。外部接口提供按鍵來接受命令，設定各種參數。提示信息、狀態信息、參數信息通過字符型LCD顯示。為了便于對系統進行測試，使用UART為命令控制接口，對系統進行直接控制，該接口在成品后即被隱去。

　　系統結構

　　以SOPC技術為核心的呼吸機主控系統框圖如圖1所示。

　　 圖1 呼吸機系統硬件結構框圖

　　主控系統的核心FPGA采用Altera公司Cyclone系列的EP1C6T144C8。CPU即為Nios II軟核處理器，對整個系統進行統一管理。折線框內為主控板，除下載、調試用的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，電機根據端的信號來調節氣流的大小。在面罩內裝有壓力檢測模塊，通過A/D轉換返回至主控板，用來對氣流進行回饋調節。面罩供患者使用。

　　直流電機控制

　　系統使用PWM信號對直流電機進行控制。在SOPC Builder提供的標準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。PWM任務邏輯結構示于圖2。

圖2 PWM任務邏輯結構

　　PWM組件的任務邏輯有：

　　●PWM任務邏輯由一個輸入時鐘、一個輸出信號、一個允許位、一個32位計數器和一個32位的比較器組成;

　　●時鐘驅動32位計數器，建立輸出信號的周期;

　　●比較器用來對32位比較器的當前值和占空比值進行比較，決定所輸出的信號;

　　●若當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;

　　●duty_cycle PWM輸出為低電平的時鐘周期數;

　　●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動程序封裝有：

　　altera_avalon_pwm_init(); //PWM模塊初始化，包括周期設置

　　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模塊占空比調整

　　對于直流電機來說，PWM占空比需要達到一定量才能使電機工作，低于閾值(PWM_DUTY_THRESHOLD)的PWM信號不能驅動電機，這部分能量會轉化為熱量損害電機，所以，設定PWM值的時候需要注意將值設在閾值以上，在altera_avalon_pwm_change_duty_cycle()中對所設定的值進行判斷，如果值低于PWM_DUTY_THRESHOLD則調整為PWM_DUTY_THRESHOLD+1。

　　以上的設計全部完成后，在SOPC Builder內將其封裝成為SOPC組件。

　　輸出及指示模塊

　　系統需要輸入設置、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。