摘  要： 介紹了一種以FPGA為核心的多功能輸液系統的設計方法。該系統具有鍵盤操作、點滴檢測、點滴速度控制、余液顯示、語音通信和報警等功能。采用光纖傳感器檢測點滴速度，用容柵傳感器檢測余液量，用步進電機及其配套裝置控制點滴速度。實驗證明，檢測與控制等性能達到設計要求。
關鍵詞： FPGA；點滴速度控制；光纖傳感器；容柵傳感器；語音通信

    目前，醫院輸液現場一般是人工控制和監視，但輸液速度和輸液量是一個很難準確把握的值，護士通過轉動輸液器上的手動輪來控制輸液速度，并通過肉眼觀察估計速度，而且輸液過程中，醫護人員一般不能全程陪護，會給病人和醫務人員帶來許多安全隱患和不便[1-5]。本文設計了一種集輸液控制、顯示、報警、語音通信等多種 功能的輸液控制系統。
1 系統總體設計
    輸液監控系統原理如圖1所示，包括FPGA控制器、點滴速度檢測、余液體積檢測、執行機構、鍵盤控制、LCD顯示、語音通信（發送與接收）以及RS232總線轉換等部分。

    輸液控制與語音通信是本文的主要研究內容，也是本系統穩定性和可靠性的根本保證。根據系統要求，設計中以FPGA為控制器，以光纖傳感器和容柵傳感器為檢測機構，以步進電機為執行機構。為了安全和方便，利用RS232總線增設了語音通信和輸液完成自動報警等功能。
2 硬件部分
2.1 控制器硬件設計
    控制器主芯片采用Altera公司的型號為APEX系列的FPGA芯片,芯片型號為 Cyclone II EP2C35F672C6。FPGA芯片采用90 nm的低功耗設計、672-Pin FineLine BGA封裝，內置35個內嵌18×18乘法器、475個用戶管腳、4PLLs、205個差分通道(比c8高出一倍的主頻，可以達到400 MHz)典型值100萬門，最大值約160萬門。主處理器采用Altera公司的32位Nios軟核處理器，與傳統的嵌入式處理器相比，NiosⅡ處理器更加靈活。該芯片具有定制特性，可以根據自身的系統要求、性能要求和成本要求進行定制。系統總線采用AVALON總線標準。另外系統具有RS232串行通信口、鍵盤PIO、LCD顯示等外圍擴展功能，便于系統的進一步開發，縮短系統的開發周期，降低系統的開發成本[6]。
2.2 鍵盤控制
    為了操作方便，系統采用鍵盤操作。設備履行一種雙向同步串行協議，接口中最重要的4根線是數據線、地線 、電源線和時鐘線。在鍵盤內部，有一個專門負責掃描按鍵的處理器，它能檢測出某個鍵被按下或者按下后被釋放，并根據按鍵的類型產生相應的掃描碼。鍵盤發送的掃描碼有通碼(Make)和斷碼(Break)兩種類型。當鍵盤上的一個鍵被按下時，鍵盤會根據按鍵類型產生一段通碼；當鍵盤上的一個鍵按下后被釋放時，鍵盤會根據按鍵類型再產生一段斷碼。此處理器為每個按鍵分配了唯一的通碼和斷碼，這樣主機通過查找唯一的掃描碼就可以測定是哪個鍵被按下或釋放。具體方法是啟動QuartusⅡ,建立一個名為ps2_keyboard.qpf的工程，選擇器件，創建文本文件并編寫代碼，以接收來自鍵盤的掃描碼，要求對不同的按鍵做出響應，為器件進行輸入輸出管腳分配，完成后對工程進行編譯。
    如圖2所示，鍵盤總是產生時鐘信號，從鍵盤發送到主機的數據在時鐘信號的下降沿被讀取。鍵盤的掃描碼發送給FPGA，這些掃描碼包含在鍵盤發送給主機的數據幀中。每個數據幀包括1位起始位(總是低電平)、8位數據位（即掃描碼，從低位開始發送）、1位奇偶校驗位（奇校驗）和1位結束位（總是高電平）。

2.3 傳感器
    點滴速度檢測采用在茂菲氏滴管的中部外側安裝一個光纖傳感器。因為光電傳感器的紅外接收管很容易受到外界光線的干擾，并且它的直徑一般在2 mm以上，體積較大，安裝不方便。光纖傳感器測量端口面積小，可以做到直徑1 mm以內，藥液點滴時分辨率高。液滴經過時利用液滴對光線的“遮擋”使光纖接收管的接收的光束發生變化，再經過電路處理得到點滴的速度脈沖，再將這種速度脈沖采集信息發送給控制器。為了防止輸液速度過快而產生點滴連續流，設計了上下分別安裝兩個檢測光纖，從而避免了少計脈沖數而產生錯誤的處理結果。如圖3所示，電路X為光纖輸出電壓波形，Y為光纖輸出電壓波形。一般情況下，點滴離散時只有X計數，點滴連續時XY同時計數，這種方法既安全又穩定可靠。點滴離散時，XY只有一個高電平，或門C1產生的信號作為D鎖存器Q1的控制端只允許X產生的正脈沖通過，而D鎖存器Q2因為C1作用時Y信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q2輸出低電平，門電路在計數器中作加法運算。點滴連續時XY同時輸出高電平，D鎖存器Q2也在計數。OUT0是輸出，OUT1是進位，Z是控制端輸入。

    余液體積檢測采用直線式容柵傳感器，安裝位置如圖4所示。固定容柵安裝在輸液系統底座上，滑動容柵安裝在輸液系統步進電機帶動的絲杠的螺絲母上，絲杠轉動使螺母產生水平移動，測量原理如同游標卡尺，這種傳感器響應速度快、量程可以達到1 m，誤差小于0.01 mm[7]。余液體積檢測通過滑動容柵移動的距離乘以容器室的截面積而得出。

2.4 執行機構
    輸液速度控制采用的控制機構由步進電機、絲杠、螺絲母、壓縮支架、容器室組成。步進電機在FPGA的控制下進行正反轉動，絲杠轉動使螺母產生水平移動，壓縮支架安裝在螺絲上，壓縮架壓縮容器室，藥液包因容器室體積變小而收縮，藥液從輸液管輸出，通過調整步進電機的步進速度，達到控制輸液速度的目的。
2.5 語音通信
    立體聲CODEC芯片WM8731是一個高性能、低功耗的24位音頻立體聲接口，被廣泛應用于各種便攜式音樂播放器中。該芯片可以分別設置音頻ADC和DAC的采樣率，包含microphone-in、line-in和line-out接口，WM8731用I2C接口與FPGA連接。
    語音發送接收要有一個合適的波段，本文選定為15.6 MHz。讓軟件生成一個鎖相環變頻模塊，AUDIO_DAC_ADC.v需要一個15.6 MHz的時鐘，調用FPGA上的鎖相環（PLL）資源，讓軟件生成這個模塊的.v文件，然后在de2_top.v中添加這個模塊。
    添加AUDIO_DAC_ADC模塊過程為：
    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));
2.6 液晶顯示控制
    顯示器選用唯信諾公司提供的OLED有機發光顯示器，分辨率160×128，6.5K色，用16位并行數據總線與FPGA相連。OLED的控制芯片為LGDP4216，OLED供電電壓10 V～21 V，接口供電電壓2.2 V～3.3 V。顯示區域大小可變，最大160（RGB）×128行，刷新率有7種，默認90 Hz。
2.7 RS232數據傳送與報警
    使用MAX3232電平轉換芯片和9針D型連接器進行串口通信。由于系統是3.3 V供電，因此需要使用MAX3232進行電平轉換。MAX3232是3.3 V工作電源的RS232轉換芯片。護士室MAX3232適配器端口裝有三個LED燈分別用來顯示執行狀態、數據傳送、報警。串口直接連接到CyclII FPGA上。MAX3232芯片包含兩組收發器，最大數據傳輸率250 kb/s。報警功能主要是在護士室顯示，綁定在傳輸模塊上，當余液控制達到下限時發生報警。
3 軟件設計
    輸液控制主程序主要由初始化模塊和各功能模塊組成，如圖5所示。初始化模塊主要完成對通信、中斷、定時的初始狀態設置。初態時，RS232通信端口設置為接收狀態，波特率設置為19 200 b/s；各功能模塊包含鍵盤控制、點滴速度檢測、步進電機控制、數據顯示、語音通信及報警等。

    本系統廣泛吸取了同類系統的優點，采用的測試方法、控制方法具有安全方便、節能、可靠等特點。本系統采用Cycl-one II的FPGA進行開發，其鍵盤操作方便快捷，LCD顯示一目了然，語音通信及報警功能提高了醫患人員的安全感。本系統充分利用了鍵盤PIO、LCD顯示、ADC和DAC音頻接口、RS232串行通信口等，縮短了系統的開發周期，降低了系統的開發成本。通過實驗測試，系統各檢測傳感器、控制執行機構、顯示、報警等功能正常，性能達到了設計要求。
參考文獻
[1] 蔣廷松.基于AT89C52的多功能輸液監控系統的設計[J]. 微計算機信息，2008，25(2)：34-36.
[2] 李蕾, 張曉蓉, 莊匯文.一種輸液檢測報警裝置的研制[J]. 醫療設備信息, 2003,18(3):14-15.
[3] 張益清, 張陽, 呂大偉.病人輸液微機監控系統[J].計量技術, 1995，39（7）:16-18.
[4] 張益清, 呂大偉, 張陽，等.病人輸液情況微機監控集中顯示儀[J].自動化與儀器儀表, 1995，15（4）:12-15.
[5] 張益清, 呂大偉, 張陽，等.可用于病人輸液情況自動監測和液滴監視系統[J].測控技術, 1995，14（14）:27-28.
[6] Cycl-one II EP2C35F672C6[EB/OL].[2010-04-20].www.parts.digikey.ca/1/3/cyclone-ii-ep2c35f672c6-fpga.
[7] 梁森.自動監測技術[M].北京：機械工業出版社，2006：132-134.