基于SoPC和Nios II处理器的医用呼吸机主控系统设计

以Altera公司FPGA芯片为平台，利用SoPC技术和Nios II处理器设计并实现了医用呼吸机的主控系统。　　呼吸机是可以代替人的呼吸功能或辅助人的呼吸功能的仪器。它适用于呼吸衰竭、甚至停止呼吸的病人做人工呼吸之用。它能帮助病人纠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。　　现有的呼吸机产品，其主控系统大多基于单片机来实现，对于功能强一些的产品就需要使用高端单片机，这样使得系统的成本比较高，而且外围的接口模块较多，结构复杂。使用SoPC(可编程片上系统)技术设计主控系统，可充分利用IP核的强大功能，精简外设数量，与此同时只占用了很小部分的资源，大大提高了系统的性价比。　　本文利用SoPC技术设计了持续气道正压通气呼吸机的主控系统，使用了Altera公司的Nios II软核处理器以及一些通用的IP核，笔者基于Avalon总线规范定制了组件，将控制逻辑全部集成至单片FPGA内。　　医用呼吸机　　正压呼吸机是利用增加气道内压力的方法将空气送入肺内，肺内的压力增大使肺腔扩张。当压力失去后，由于肺腔组织的弹性，将肺恢复到原来的形状，而使经过交换的一部分空气呼出体外。目前，大部分呼吸机都是利用这种增加气道内压力的方法给病人送气的。　　呼吸机所需的气压采用直流电机来提供，直流电机的控制信号为PWM信号，根据PWM信号的占空比和周期来控制电机的转速。外部接口提供按键来接受命令，设定各种参数。提示信息、状态信息、参数信息通过字符型LCD显示。为了便于对系统进行测试，使用UART为命令控制接口，对系统进行直接控制，该接口在成品后即被隐去。　　系统结构　　以SOPC技术为核心的呼吸机主控系统框图如图1所示。图1 呼吸机系统硬件结构框图　　主控系统的核心FPGA采用Altera公司Cyclone系列的EP1C6T144C8。CPU即为Nios II软核处理器，对整个系统进行统一管理。折线框内为主控板，除下载、调试用的PC机外，对直流电机及主控板需单独供电。直流电机工作后将气流送至面罩内，电机根据端的信号来调节气流的大小。在面罩内装有压力检测模块，通过A/D转换返回至主控板，用来对气流进行回馈调节。面罩供患者使用。　　直流电机控制　　系统使用PWM信号对直流电机进行控制。在SOPC Builder提供的标准IP核中是没有PWM组件的，需要自行定制，PWM组件的输出信号是方波，方波的周期及占空比可调。PWM任务逻辑结构示于图2。图2 PWM任务逻辑结构　　PWM组件的任务逻辑有： PWM任务逻辑由一个输入时钟、一个输出信号、一个允许位、一个32位计数器和一个32位的比较器组成； 时钟驱动32位计数器，建立输出信号的周期； 比较器用来对32位比较器的当前值和占空比值进行比较，决定所输出的信号； 若当前值小于或等于占空比值，则输出逻辑信号为0，否则为1。　　PWM组件的寄存器文件：clock_divde 在PWM的一个周期中的时钟周期数；duty_cycle PWM输出为低电平的时钟周期数；enable PWM输出的允许/禁止。0到1的上升沿使能PWM组件。　　将PWM定义寄存器的头文件和驱动程序封装有：　　altera_avalon_pwm_init(); //PWM模块初始化，包括周期设置　　altera_avalon_pwm_enable(); //PWM模块使能　　altera_avalon_p wm_disable(); //PWM模块禁止　　altera_avalon_ pwm_change_duty _cycle(); //PWM模块占空比调整　　对于直流电机来说，PWM占空比需要达到一定量才能使电机工作，低于阈值(PWM_DUTY_THRESHOLD)的PWM信号不能驱动电机，这部分能量会转化为热量损害电机，所以，设定PWM值的时候需要注意将值设在阈值以上，在altera_avalon_pwm_change_duty_cycle()中对所设定的值进行判断，如果值低于PWM_DUTY_THRESHOLD则调整为PWM_DUTY_THRESHOLD＋1。　　以上的设计全部完成后，在SOPC Builder内将其封装成为SOPC组件。输出及指示模块　　系统需要输入设置、控制以及显示提示，这部分功能包括有按键输入、LED指示灯输出、蜂鸣器输出、液晶输出等。　　按键输入是用户与系统交互的重要接口，键盘板上共设有4个按键，一个为“On/Off”键，一个为“Set”键，一个为“Up”键，一个为“Down”键。“On/Off”功能键用于系统开机、关机；“Set”功能键用于LCD中参数设置时确定；“Up”和“Down”功能键用于改变当前选项的内容。　　按键输出模块在Nios II内使用SOPC Builder提供的PIO模块搭建，由于要实时响应按键内容，需要开中断，对按键的上升沿进行捕捉，当有中断到来时，进入中断寄存器判断中断的来源和类型，根据现在的模式信息决定系统的动作。　　LED显示及蜂鸣器输出也使用PIO模块搭建，为使得电流充裕采用共阳极接法。　　LCD显示使用的是1602的通用液晶模块，在SOPC Builder内提供有相应的IP核。液晶为16×2的形式，可显示英文字母及数字，字库在液晶模块内部含有。　　与PC机通讯的接口　　系统与PC通讯有两个接口，JTAG接口和UART接口。JTAG接口用来对FPGA进行配置及程序下载；UART接口则作为命令控制接口，对完成的程序进行系统的调试。这两个组件在SOPC Builder内均有提供，可直接使用。JTAG接口无需过多配置，外部硬件连接完成后，在内部添加组件即可使用，对JTAG端口的操作由Quartus软件内部完成。　　UART接口与PC机通过RS-232协议进行通讯，可以改变其波特率、奇偶校验位、停止位、传输的数据位以及其他可选的RTS-CTS流控制信号等。实际应用中波特率使用115200，8位数据位，1位停止位，带奇偶校验位，流控制则设为none。外部硬件连接使用MAX3232作为电平转换芯片。　　存储及配置单元　　FPGA使用AS配置模式，配置芯片为EPCS4。EPCS4芯片中的存储区可分为两个区：FPGA配置存储区用来保存FPGA配置的数据，通用存储区用来存放系统启动代码以及程序数据。除了SOPC Builder提供的EPCS组件外，Nios II IDE中的Flash Programmer实用程序可把数据固化到EPCS芯片中。　　FPGA芯片内部开出一块4K大小的RAM，作为程序运行时的缓存区。　　定时器　　SOPC Builder提供的定时器是一个32位的间隔定时器，与我们常见到的单片机内部的定时器模块类似，有递增计数模式和递减计数模式，在计数器为0时可生成中断，也可令周期脉冲发生器输出一个脉冲。对periodl和periodh寄存器进行写操作可设定定时器的周期。系统中使用定时器模块计时，用来判断命令执行时间的长短，按键时长等功能，开中断后可实现长按键开关机或Shift键功能。　　A/D采样　　A/D采样主要是为了检测面罩压力并反馈，根据反馈值对压力进行再调节。压力检测后压力信号通过Maxim公司的A/D芯片MAX197进行采样。　　与PWM组件类似，SOPC Builder也没有提供相应的A/D组件IP核，需自行定制，定制过程与PWM组件相同。　　系统软件设计　　系统的工作流程如图3所示。图3 呼吸机工作流程　　工作状态　　设置状态：只能在系统断电后，重新上电时进入。除此之外，系统在任何情况下都无法进入设置状态。并且从设置状态只能返回到关机状态。“Up”，“Down”键改变选项，“Set”键进入设置或确认设置，“On/Off”取消设置或退出当前这层设置界面，当已退到最初设置界面时，再按“On/Off”为关机；　　关机状态：液晶显示“Off”，且只响应开机键和命令；　　待机状态：液晶显示治疗压力的延时；　　治疗状态：响应“On/Off”键， “Up”键和“Down”键。其中，“On/Off”键用于“启动/停止”治疗；“Up”和“Down”用于以0.5厘米水柱的压力为步长调整当前工作压力。　　对这四种状态的切换都基于不同时段不同按键的组合，设计时考虑到治疗操作的简便性，把大多数操作都放到设置状态内进行，治疗时只需要根据实际情况略作调节即可。　　压力反馈　　对于呼吸机这种直接面对病患的医疗器械，安全性是非常重要的，另外，对所加压力的精度要求也比较高，就算是5%的压力变化对于一个病人的呼吸系统来说也是不小的压力。在电机有输出有波动的时候，加一级反馈来对压力进行补偿输出，可以防止突然间的误动作以及供电电压波动带来的压力精度偏移。　　将A/D采样的结果与预先设定的值进行比较，如果低于设定值，则对输出值进行相应的提升；如果高于设定值，则减少输出值。对压力输出的调节要逐步进行，根据实验结果设定步长PWM_T_STEP，每次变化只增减PWM_T_STEP的值，这样不会使得气流忽大忽小，让患者的呼吸系统感到不适。按键及显示　　系统中对按键的要求比较多，除了正常的单次按键外，还有开关机时的长按键、进入设置状态的组合键等。这些特殊功能的按键也是基于单次按键的基础上进行的。　　长按键需要对按键的触发的上升沿和下降沿都进行判断，单次按键的下降沿中断来到后，计数器开始计数，到上升沿中断到来为止，如果计数大于某一阈值则认为该次按键为长按键。阈值的确定要根据系统的时钟频率以及所需要的延时长度。　　系统的显示主要依靠LCD，16×2的液晶上只能显示两行菜单，但菜单的总条数远大于两条，为此，菜单数组的显示和执行就需要两套指针来实现，显示时单行滚动显示，以便于观察。　　结语　　本文所述的医用呼吸机主控系统，样机已制出，现正进行性能测试，目前运行正常。整个系统的设计重点在定制基于SOPC技术的嵌入式Nios II软核处理器设计和电机驱动的实现上，与传统的基于单片机的方案相比，Nios II只占用了FPGA芯片内的一小部分资源，却完成了包括单片机及相当数量外设的功能，这样既简化了电路板设计，减少外围器件的配置，又有效地控制了系统软硬件的复杂度，降低了成本，缩短开发周期，更便于对未来产品的升级换代。　　参考文献：　　1. 李兰英，Nios II嵌入式软核——SOPC设计原理及应用，北京航空航天大学出版社，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，挑战SOC—基于Nios的SOPC设计与实践，清华大学出版社，2004