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基于SOPC技术的医用呼吸机主控系统设计 作者：安鹏 清华大学工程物理系(北京100084) ?? 时间：2008-06-17??来源:??电子产品世界?? 浏览评论 摘要：?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。关键词：?呼吸机；SOPC；Nios II软核处理器；压力补偿　　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