以FPGA为核心的多功能输液系统的设计

余液体积检测采用直线式容栅传感器，安装位置如图4所示。固定容栅安装在输液系统底座上，滑动容栅安装在输液系统步进电机带动的丝杠的螺丝母上，丝杠转动使螺母产生水平移动，测量原理如同游标卡尺，这种传感器响应速度快、量程可以达到1 m，误差小于0.01 mm[7]。余液体积检测通过滑动容栅移动的距离乘以容器室的截面积而得出。

　　2.4 执行机构

　　输液速度控制采用的控制机构由步进电机、丝杠、螺丝母、压缩支架、容器室组成。步进电机在FPGA的控制下进行正反转动，丝杠转动使螺母产生水平移动，压缩支架安装在螺丝上，压缩架压缩容器室，药液包因容器室体积变小而收缩，药液从输液管输出，通过调整步进电机的步进速度，达到控制输液速度的目的。

　　2.5 语音通信

　　立体声CODEC芯片WM8731是一个高性能、低功耗的24位音频立体声接口，被广泛应用于各种便携式音乐播放器中。该芯片可以分别设置音频ADC和DAC的采样率，包含microphone-in、line-in和line-out接口，WM8731用I2C接口与FPGA连接。

　　语音发送接收要有一个合适的波段，本文选定为15.6 MHz。让软件生成一个锁相环变频模块，Audio_DAC_ADC.v需要一个15.6 MHz的时钟，调用FPGA上的锁相环（PLL）资源，让软件生成这个模块的。v文件，然后在de2_top.v中添加这个模块。

　　添加audio_DAC_ADC模块过程为：

　　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 液晶显示控制

　　显示器选用唯信诺公司提供的OLED有机发光显示器，分辨率160×128，6.5K色，用16位并行数据总线与FPGA相连。OLED的控制芯片为LGDP4216，OLED供电电压10 V～21 V，接口供电电压2.2 V～3.3 V。显示区域大小可变，最大160（RGB）×128行，刷新率有7种，默认90 Hz。

　　2.7 RS232数据传送与报警

　　使用MAX3232电平转换芯片和9针D型连接器进行串口通信。由于系统是3.3 V供电，因此需要使用MAX3232进行电平转换。MAX3232是3.3 V工作电源的RS232转换芯片。护士室MAX3232适配器端口装有三个LED灯分别用来显示执行状态、数据传送、报警。串口直接连接到CyclII FPGA上。MAX3232芯片包含两组收发器，最大数据传输率250 kb/s。报警功能主要是在护士室显示，绑定在传输模块上，当余液控制达到下限时发生报警。

　　3 软件设计

　　输液控制主程序主要由初始化模块和各功能模块组成，如图5所示。初始化模块主要完成对通信、中断、定时的初始状态设置。初态时，RS232通信端口设置为接收状态，波特率设置为19 200 b/s；各功能模块包含键盘控制、点滴速度检测、步进电机控制、数据显示、语音通信及报警等。

　　本系统广泛吸取了同类系统的优点，采用的测试方法、控制方法具有安全方便、节能、可靠等特点。本系统采用Cycl-one II的FPGA进行开发，其键盘操作方便快捷，LCD显示一目了然，语音通信及报警功能提高了医患人员的安全感。本系统充分利用了键盘PIO、LCD显示、ADC和DAC音频接口、RS232串行通信口等，缩短了系统的开发周期，降低了系统的开发成本。通过实验测试，系统各检测传感器、控制执行机构、显示、报警等功能正常，性能达到了设计要求。