基于SOPC技术的医用呼吸机主控系统

3） 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。

4） 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。

5） 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。

6） 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。

3 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

1）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。

2）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。

3）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。

4 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。