基于SOPC的医用呼吸机主控系统设计

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。