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。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CycloneIIEP2C35F672C6.FPGA芯片采用90nm的低功耗設計、672-PinFineLineBGA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400MHz）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].

Altera公司簡介

Altera的可編程解決方案幫助系統和半導體公司快速高效的實現創新，突出產品優勢，贏得市場競爭。自二十年前發明世界上第一個可編程邏輯器件開始，Altera公司秉承了創新的傳統，是世界上“可編程芯片系統”（SOPC）解決方案倡導者。Altera公司總部位于美國加州的圣何塞，并在全球的14個中擁有近2000名員工，其2005年度的年收入高達11.23億美元。Altera將其早在1983年發明的可編程邏輯技術與軟件工具、IP和設計服務相結合，向全世界近14,000家客戶提供超值的可編程解決方案。

Altera一直在可編程系統級芯片，領域中處于前沿和地位，結合帶有軟件工具的可編程邏輯技術、知識產權（IP）和技術服務，在世界范圍內為14,000多個客戶提供高質量的可編程解決方案。我們新產品系列將可編程邏輯的內在優勢--靈活性、產品及時面市和更高級性能以及集成化結合在一起，專為滿足當今大范圍的系統需求而開發設計。Altera可編程解決方案包括：業內最先進的FPGA、CPLD和結構化ASIC技術全面內嵌的軟件開發工具最佳的IP內核可定制嵌入式處理器現成的開發包希賽網設計服務

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通碼和斷碼，這樣主機通過查找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。

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2mm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1mm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。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。