基于SOPC技術的醫用呼吸機主控系統設計
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系統與PC通訊有兩個接口，JTAG接口和UART接口。JTAG接口用來對FPGA進行配置及程序下載；UART接口則作為命令控制接口，對完成的程序進行系統的調試。這兩個組件在SOPC Builder內均有提供，可直接使用。JTAG接口無需過多配置，外部硬件連接完成后，在內部添加組件即可使用，對JTAG端口的操作由Quartus軟件內部完成。
UART接口與PC機通過RS-232協議進行通訊，可以改變其波特率、奇偶校驗位、停止位、傳輸的數據位以及其他可選的RTS-CTS流控制信號等。實際應用中波特率使用115200，8位數據位，1位停止位，帶奇偶校驗位，流控制則設為none。外部硬件連接使用MAX3232作為電平轉換芯片。
存儲及配置單元
FPGA使用AS配置模式，配置芯片為EPCS4。EPCS4芯片中的存儲區可分為兩個區：FPGA配置存儲區用來保存FPGA配置的數據，通用存儲區用來存放系統啟動代碼以及程序數據。除了SOPC Builder提供的EPCS組件外，Nios II IDE中的Flash Programmer實用程序可把數據固化到EPCS芯片中。
FPGA芯片內部開出一塊4K大小的RAM，作為程序運行時的緩存區。
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部的定時器模塊類似，有遞增計數模式和遞減計數模式，在計數器為0時可生成中斷，也可令周期脈沖發生器輸出一個脈沖。對periodl和periodh寄存器進行寫操作可設定定時器的周期。系統中使用定時器模塊計時，用來判斷命令執行時間的長短，按鍵時長等功能，開中斷后可實現長按鍵開關機或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，根據反饋值對壓力進行再調節。壓力檢測后壓力信號通過Maxim公司的A/D芯片MAX197進行采樣。
與PWM組件類似，SOPC Builder也沒有提供相應的A/D組件IP核，需自行定制，定制過程與PWM組件相同。
系統軟件設計
系統的工作流程如圖3所示。
圖3 呼吸機工作流程
工作狀態
設置狀態：只能在系統斷電后，重新上電時進入。除此之外，系統在任何情況下都無法進入設置狀態。并且從設置狀態只能返回到關機狀態。“Up”，“Down”鍵改變選項，“Set”鍵進入設置或確認設置，“On/Off”取消設置或退出當前這層設置界面，當已退到最初設置界面時，再按“On/Off”為關機；
關機狀態：液晶顯示“Off”，且只響應開機鍵和命令；
待機狀態：液晶顯示治療壓力的延時；
治療狀態：響應“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整當前工作壓力。
對這四種狀態的切換都基于不同時段不同按鍵的組合，設計時考慮到治療操作的簡便性，把大多數操作都放到設置狀態內進行，治療時只需要根據實際情況略作調節即可。
壓力反饋
對于呼吸機這種直接面對病患的醫療器械，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采樣的結果與預先設定的值進行比較，如果低于設定值，則對輸出值進行相應的提升；如果高于設定值，則減少輸出值。對壓力輸出的調節要逐步進行，根據實驗結果設定步長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，讓患者的呼吸系統感到不適。
按鍵及顯示
系統中對按鍵的要求比較多，除了正常的單次按鍵外，還有開關機時的長按鍵、進入設置狀態的組合鍵等。這些特殊功能的按鍵也是基于單次按鍵的基礎上進行的。
長按鍵需要對按鍵的觸發的上升沿和下降沿都進行判斷，單次按鍵的下降沿中斷來到后，計數器開始計數，到上升沿中斷到來為止，如果計數大于某一閾值則認為該次按鍵為長按鍵。閾值的確定要根據系統的時鐘頻率以及所需要的延時長度。
系統的顯示主要依靠LCD，16×2的液晶上只能顯示兩行菜單，但菜單的總條數遠大于兩條，為此，菜單數組的顯示和執行就需要兩套指針來實現，顯示時單行滾動顯示，以便于觀察。
結語
本文所述的醫用呼吸機主控系統，樣機已制出，現正進行性能測試，目前運行正常。整個系統的設計重點在定制基于SOPC技術的嵌入式Nios II軟核處理器設計和電機驅動的實現上，與傳統的基于單片機的方案相比，Nios II只占用了FPGA芯片內的一小部分資源，卻完成了包括單片機及相當數量外設的功能，這樣既簡化了電路板設計，減少外圍器件的配置，又有效地控制了系統軟硬件的復雜度，降低了成本，縮短開發周期，更便于對未來產品的升級換代。
參考文獻：
1. 李蘭英，Nios II嵌入式軟核——SOPC設計原理及應用，北京航空航天大學出版社，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SOC—基于Nios的SOPC設計與實踐，清華大學出版社，2004
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