基于SoPC和Nios II處理器的醫用呼吸機主控系統設計
摘要： 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。
Abstract：
Key words :
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。
按鍵輸入是用戶與系統交互的重要接口，鍵盤板上共設有4個按鍵，一個為“On/Off”鍵，一個為“Set”鍵，一個為“Up”鍵，一個為“Down”鍵。“On/Off”功能鍵用于系統開機、關機；“Set”功能鍵用于LCD中參數設置時確定；“Up”和“Down”功能鍵用于改變當前選項的內容。
按鍵輸出模塊在Nios II內使用SOPC Builder提供的PIO模塊搭建，由于要實時響應按鍵內容，需要開中斷，對按鍵的上升沿進行捕捉，當有中斷到來時，進入中斷寄存器判斷中斷的來源和類型，根據現在的模式信息決定系統的動作。
LED顯示及蜂鳴器輸出也使用PIO模塊搭建，為使得電流充裕采用共陽極接法。
LCD顯示使用的是1602的通用液晶模塊，在SOPC Builder內提供有相應的IP核。液晶為16×2的形式，可顯示英文字母及數字，字庫在液晶模塊內部含有。
與PC機通訊的接口
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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