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基于FPGA为核心的多功能输液系统该怎么设计？
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FPGA
输液系统
Altera
今朝医护人员一般不能全程陪护，会给病人和医务人员带来良多平安隐患和未便。本文设计了一种集输液节制、显示、报警、语音
通信
等多种功能的输液节制系统。
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（3）
秦涌安
2019-9-3 15:02:30
1 系统总体设计
输液监控系统原理如图1所示，包括FPGA控制器、点滴速度检测、余液体积检测、执行机构、键盘控制、LCD显示、语音通信（发送与接收）以及RS232总线转换等部分。
输液控制与语音通信是本文的主要研究内容，也是本系统稳定性和可靠性的根本保证。根据系统要求，设计中以FPGA为控制器，以光纤传感器和容栅传感器为检测机构，以步进电机为执行机构。为了安全和方便，利用RS232总线增设了语音通信和输液完成自动报警等功能。
1 系统总体设计
输液监控系统原理如图1所示，包括FPGA控制器、点滴速度检测、余液体积检测、执行机构、键盘控制、LCD显示、语音通信（发送与接收）以及RS232总线转换等部分。
输液控制与语音通信是本文的主要研究内容，也是本系统稳定性和可靠性的根本保证。根据系统要求，设计中以FPGA为控制器，以光纤传感器和容栅传感器为检测机构，以步进电机为执行机构。为了安全和方便，利用RS232总线增设了语音通信和输液完成自动报警等功能。
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谢昌火
2019-9-3 15:02:36
2 硬件部分
2.1 控制器硬件设计
控制器主芯片采用Altera公司的型号为APEX系列的FPGA芯片，芯片型号为 Cyclone II EP2C35F672C6。FPGA芯片采用90 nm的低功耗设计、672-Pin FineLine BGA封装，内置35个内嵌18×18乘法器、475个用户管脚、4PLLs、205个差分通道（比c8高出一倍的主频，可以达到400 MHz）典型值100万门，最大值约160万门。主处理器采用Altera公司的32位Nios软核处理器，与传统的嵌入式处理器相比，NiosⅡ处理器更加灵活。该芯片具有定制特性，可以根据自身的系统要求、性能要求和成本要求进行定制。系统总线采用AVALON总线标准。另外系统具有RS232串行通信口、键盘PIO、LCD显示等外围扩展功能，便于系统的进一步开发，缩短系统的开发周期，降低系统的开发成本[6]。
Altera 公司简介
Altera 的可编程解决方案帮助系统和半导体公司快速高效的实现创新，突出产品优势，赢得市场竞争。自二十年前发明世界上第一个可编程逻辑器件开始，Altera 公司 秉承了创新的传统，是世界上"可编程芯片系统" （SOPC） 解决方案倡导者。Altera 公司总部位于美国加州的圣何塞，并在全球的14个国家中拥有近2000名员工，其2005年度的年收入高达11.23亿美元。Altera 将其早在1983年发明的可编程逻辑技术与软件工具、IP 和设计服务相结合，向全世界近14,000家客户提供超值的可编程解决方案。
Altera 一直在可编程系统级芯片，领域中处于前沿和领先的地位，结合带有软件工具的可编程逻辑技术、知识产权 （IP）和技术服务，在世界范围内为14,000多个客户提供高质量的可编程解决方案。我们新产品系列将可编程逻辑的内在优势 —— 灵活性、产品及时面市 —— 和更高级性能以及集成化结合在一起，专为满足当今大范围的系统需求而开发设计。Altera 可编程解决方案包括：业内最先进的 FPGA、CPLD 和结构化 ASIC 技术 全面内嵌的软件开发工具 最佳的 IP 内核可定制嵌入式处理器 现成的开发包 专家设计服务
2.2 键盘控制
为了操作方便，系统采用键盘操作。设备履行一种双向同步串行协议，接口中最重要的4根线是数据线、地线、电源线和时钟线。在键盘内部，有一个专门负责扫描按键的处理器，它能检测出某个键被按下或者按下后被释放，并根据按键的类型产生相应的扫描码。键盘发送的扫描码有通码（Make）和断码（Break）两种类型。当键盘上的一个键被按下时，键盘会根据按键类型产生一段通码；当键盘上的一个键按下后被释放时，键盘会根据按键类型再产生一段断码。此处理器为每个按键分配了唯一的通码和断码，这样主机通过查找唯一的扫描码就可以测定是哪个键被按下或释放。具体方法是启动QuartusⅡ，建立一个名为ps2_keyboard.qpf的工程，选择器件，创建文本文件并编写代码，以接收来自键盘的扫描码，要求对不同的按键做出响应，为器件进行输入输出管脚分配，完成后对工程进行编译。
如图2所示，键盘总是产生时钟信号，从键盘发送到主机的数据在时钟信号的下降沿被读取。键盘的扫描码发送给FPGA，这些扫描码包含在键盘发送给主机的数据帧中。每个数据帧包括1位起始位（总是低电平）、8位数据位（即扫描码，从低位开始发送）、1位奇偶校验位（奇校验）和1位结束位（总是高电平）。
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。如图3所示，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，安装位置如图4所示。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。
2.7 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。
2 硬件部分
2.1 控制器硬件设计
控制器主芯片采用Altera公司的型号为APEX系列的FPGA芯片，芯片型号为 Cyclone II EP2C35F672C6。FPGA芯片采用90 nm的低功耗设计、672-Pin FineLine BGA封装，内置35个内嵌18×18乘法器、475个用户管脚、4PLLs、205个差分通道（比c8高出一倍的主频，可以达到400 MHz）典型值100万门，最大值约160万门。主处理器采用Altera公司的32位Nios软核处理器，与传统的嵌入式处理器相比，NiosⅡ处理器更加灵活。该芯片具有定制特性，可以根据自身的系统要求、性能要求和成本要求进行定制。系统总线采用AVALON总线标准。另外系统具有RS232串行通信口、键盘PIO、LCD显示等外围扩展功能，便于系统的进一步开发，缩短系统的开发周期，降低系统的开发成本[6]。
Altera 公司简介
Altera 的可编程解决方案帮助系统和半导体公司快速高效的实现创新，突出产品优势，赢得市场竞争。自二十年前发明世界上第一个可编程逻辑器件开始，Altera 公司 秉承了创新的传统，是世界上"可编程芯片系统" （SOPC） 解决方案倡导者。Altera 公司总部位于美国加州的圣何塞，并在全球的14个国家中拥有近2000名员工，其2005年度的年收入高达11.23亿美元。Altera 将其早在1983年发明的可编程逻辑技术与软件工具、IP 和设计服务相结合，向全世界近14,000家客户提供超值的可编程解决方案。
Altera 一直在可编程系统级芯片，领域中处于前沿和领先的地位，结合带有软件工具的可编程逻辑技术、知识产权 （IP）和技术服务，在世界范围内为14,000多个客户提供高质量的可编程解决方案。我们新产品系列将可编程逻辑的内在优势 —— 灵活性、产品及时面市 —— 和更高级性能以及集成化结合在一起，专为满足当今大范围的系统需求而开发设计。Altera 可编程解决方案包括：业内最先进的 FPGA、CPLD 和结构化 ASIC 技术 全面内嵌的软件开发工具 最佳的 IP 内核可定制嵌入式处理器 现成的开发包 专家设计服务
2.2 键盘控制
为了操作方便，系统采用键盘操作。设备履行一种双向同步串行协议，接口中最重要的4根线是数据线、地线、电源线和时钟线。在键盘内部，有一个专门负责扫描按键的处理器，它能检测出某个键被按下或者按下后被释放，并根据按键的类型产生相应的扫描码。键盘发送的扫描码有通码（Make）和断码（Break）两种类型。当键盘上的一个键被按下时，键盘会根据按键类型产生一段通码；当键盘上的一个键按下后被释放时，键盘会根据按键类型再产生一段断码。此处理器为每个按键分配了唯一的通码和断码，这样主机通过查找唯一的扫描码就可以测定是哪个键被按下或释放。具体方法是启动QuartusⅡ，建立一个名为ps2_keyboard.qpf的工程，选择器件，创建文本文件并编写代码，以接收来自键盘的扫描码，要求对不同的按键做出响应，为器件进行输入输出管脚分配，完成后对工程进行编译。
如图2所示，键盘总是产生时钟信号，从键盘发送到主机的数据在时钟信号的下降沿被读取。键盘的扫描码发送给FPGA，这些扫描码包含在键盘发送给主机的数据帧中。每个数据帧包括1位起始位（总是低电平）、8位数据位（即扫描码，从低位开始发送）、1位奇偶校验位（奇校验）和1位结束位（总是高电平）。
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。如图3所示，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，安装位置如图4所示。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。
2.7 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。
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吴秀英
2019-9-3 15:02:39
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，如图5所示。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。
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，如图5所示。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。
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