基于FPGA的嬰兒保溫箱智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉加峰，段元民

基于FPGA的嬰兒保溫箱智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉加峰，段元民

目的：研制一種新型的嬰兒保溫箱智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，以確保嬰兒保溫箱的工作安全可靠。方法：使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（field-programmable gate array，F(xiàn)PGA）（CycloneⅡ）芯片作為核心部件，采用雙重溫度控制系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，將多個(gè)功能模塊集成到一片F(xiàn)PGA中，構(gòu)成片上可編程系統(tǒng)。結(jié)果：該系統(tǒng)可自動(dòng)監(jiān)測(cè)嬰兒皮膚溫度、脈搏以及是否尿床，自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制箱內(nèi)的溫度和濕度。且儀器發(fā)生電路故障時(shí)可自動(dòng)切換到強(qiáng)制保護(hù)電路，維持保溫箱內(nèi)的溫度，確保嬰兒生命安全。結(jié)論：該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、精度高、安全可靠、操作方便，具有采集速率快、便攜性好、功耗小等特點(diǎn)，可為現(xiàn)代醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)提供可靠的支持。

嬰兒保溫箱；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列；智能監(jiān)護(hù)；紅外傳感器

0 引言

對(duì)于早產(chǎn)兒或者低體質(zhì)量?jī)?，為了保持體溫的恒定，以及對(duì)一些危重的患兒隔離，避免引起外界的感染，需要把他們放進(jìn)可以使人體皮膚的蒸發(fā)、散熱量和人體新陳代謝率處于最低狀態(tài)的最適宜的中性溫度環(huán)境中，從而保證新生兒體溫恒定，以便更好地護(hù)理和觀察。嬰兒保溫箱就是專(zhuān)為新生兒、病危兒、低體質(zhì)量?jī)涸O(shè)計(jì)的醫(yī)護(hù)裝置，可以提供一個(gè)優(yōu)良的中性環(huán)境溫度，是新生兒病房臨床治療必備的重要設(shè)備[1]。

本文介紹一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（field-programmable gate array，F(xiàn)PGA）的嬰兒保溫箱實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，克服了采用單片機(jī)作為控制器的一些缺陷，比如處理速度慢、系統(tǒng)升級(jí)難等，難以滿足多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。FPGA系統(tǒng)可以在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC）采樣微弱信號(hào)時(shí)利用過(guò)采樣技術(shù)提高分辨率的方法，使得信號(hào)檢測(cè)精度更高；另外FPGA系統(tǒng)還提供多種外設(shè)接口，如USB、JTAG和以太網(wǎng)口等，為整個(gè)系統(tǒng)與外設(shè)通信等提供了方便，也利于系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用ALTRERA公司的Cyclone系列芯片EP1C3T144C8作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和交換。EP1C3T144C8采用基于全層銅靜態(tài)隨機(jī)處理內(nèi)存（static random access memory，SRAM）工藝，支持多種I/O標(biāo)準(zhǔn)，2 910個(gè)邏輯單元（logic elements，LEs），1個(gè)內(nèi)部鎖相環(huán)（phase-locked loops，PLL），13個(gè)M4K RAM塊，59 904個(gè)RAM位，104個(gè)可供使用的I/O。

整個(gè)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)通信和驅(qū)動(dòng)控制等模塊[2-3]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊中，應(yīng)用2種溫度傳感器分別檢測(cè)箱內(nèi)溫度和嬰兒表皮溫度，相應(yīng)信號(hào)經(jīng)濾波、放大、采樣后送入FPGA進(jìn)行處理，并將溫度實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示器（liquid crystal display, LCD）上。當(dāng)檢測(cè)溫度與相應(yīng)預(yù)設(shè)值的偏差超過(guò)設(shè)定范圍的時(shí)候，通過(guò)啟動(dòng)或停止加熱裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度控制。當(dāng)嬰兒體溫超出設(shè)定值，或者箱內(nèi)溫度超出報(bào)警設(shè)定值后，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

在箱內(nèi)和嬰兒尿布下方，分別放置2個(gè)HS1101濕度傳感器進(jìn)行濕度信號(hào)檢測(cè)，用來(lái)監(jiān)控空氣濕度和嬰兒是否尿床。濕度傳感器采集的信號(hào)送入FPGA進(jìn)行計(jì)算和分析[4]，處理后的濕度值實(shí)時(shí)顯示在LCD上。當(dāng)檢測(cè)到空氣濕度值低于或高于預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)立即啟動(dòng)或停止加濕裝置；當(dāng)檢測(cè)到嬰兒尿床時(shí)，立即報(bào)警。

在FPGA系統(tǒng)之外，為了能夠得到第二重安全保護(hù)作用，另外設(shè)立一個(gè)獨(dú)立的超溫監(jiān)控電路，防止當(dāng)FPGA系統(tǒng)損壞時(shí)造成意外傷害。該監(jiān)護(hù)系統(tǒng)增設(shè)了一個(gè)空氣過(guò)濾消毒裝置，以對(duì)進(jìn)入箱體內(nèi)的空氣進(jìn)行消毒。

以上信息除了在LCD上實(shí)時(shí)用數(shù)值和圖形方式顯示外，還可以根據(jù)需要進(jìn)行存儲(chǔ)和通過(guò)接口進(jìn)行發(fā)送。系統(tǒng)對(duì)各種檢測(cè)信號(hào)預(yù)設(shè)報(bào)警值，對(duì)超出設(shè)定范圍的檢測(cè)情況進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)配有非易失性存儲(chǔ)器，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)參數(shù)在斷電后仍可以保留。

2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)信息的檢測(cè)電路主要對(duì)箱內(nèi)溫度、體表溫度、脈搏、濕度4個(gè)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和測(cè)量。由于溫度、濕度和脈搏等信號(hào)均為緩慢變化的低頻信號(hào)，所以信號(hào)的采樣頻率都很低。為了提高現(xiàn)有ADC檢測(cè)微弱信號(hào)的能力，簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路和降低生產(chǎn)成本，在充分利用ADC采樣速度的條件下，通過(guò)過(guò)采樣技術(shù)來(lái)提高ADC的分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)。A/D轉(zhuǎn)換芯片在此選用德州儀器公司的10位串行接口芯片TLV1572。

2.1 箱內(nèi)溫度的測(cè)量

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，將溫度傳感器放置在5個(gè)具體位置進(jìn)行溫度檢測(cè)。一個(gè)溫度傳感器被放置在與床墊平行的平面上，與床墊間隔10 cm。同時(shí)在墊子中心上方10 cm處必須放置一個(gè)溫度傳感器。其余各點(diǎn)必須在長(zhǎng)度和寬度的二等分線形成的4塊面積的中心[2]。

本系統(tǒng)采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其優(yōu)點(diǎn)是將被測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為微機(jī)可處理的位串行數(shù)字信號(hào)，并且多個(gè)DS18B20可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)與FPGA的通信，9位的串行數(shù)據(jù)可通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)。由于每一個(gè)DS18B20的片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器（read-only memory，ROM）中都存有出廠時(shí)刻的唯一的序列號(hào)，因此經(jīng)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議FPGA即可以識(shí)別它們。訪問(wèn)DS18B20僅需要一根I/O口線（單線接口）來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，并可用一根I/O數(shù)據(jù)線既傳輸數(shù)據(jù)又供電。

2.2 體表溫度的測(cè)量

本設(shè)計(jì)采用高靈敏度的紅外傳感器作為測(cè)溫器件，分別測(cè)試嬰兒額頭與肚臍的體表溫度[5]，實(shí)現(xiàn)了嬰兒體溫的非接觸測(cè)量，具有測(cè)量時(shí)間短、使用方便等特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

紅外傳感器的輸出電壓與被測(cè)物體的溫度是一一對(duì)應(yīng)的，由此可以通過(guò)測(cè)量傳感器的輸出電壓來(lái)確定被測(cè)物體的溫度。由于環(huán)境溫度是變化的，所以要準(zhǔn)確地測(cè)量被測(cè)目標(biāo)溫度還需要進(jìn)行環(huán)境溫度的補(bǔ)償。

環(huán)境溫度的檢測(cè)由環(huán)境溫度檢測(cè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，其原理是把紅外傳感器中的熱敏電阻阻值轉(zhuǎn)換為電壓輸出[6-7]。由于熱電偶輸出電壓是mV級(jí)的，因此需要進(jìn)行放大。在熱電偶輸出電壓檢測(cè)電路中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)高性能的同向放大器電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱電偶輸出電壓的線性放大，原理圖如圖2所示。

圖2 溫度測(cè)量電路圖

紅外傳感器的熱敏電阻的轉(zhuǎn)換電壓和熱電偶輸出電壓經(jīng)過(guò)放大電路放大后送到ADC芯片進(jìn)行采樣，采樣后由FPGA對(duì)采樣的數(shù)字電壓量進(jìn)行處理，經(jīng)處理后可分別得到熱電偶兩端的溫差和冷端的溫度，2個(gè)值相加后可求出物體的真實(shí)溫度，最后把結(jié)果送到數(shù)碼管顯示。

2.3 脈搏的測(cè)量

脈搏的測(cè)量是根據(jù)光的吸收量隨動(dòng)脈搏動(dòng)而變化的原理設(shè)計(jì)的。如圖3所示，信號(hào)是由一對(duì)紅外發(fā)射、接收管組成的。當(dāng)把裝有對(duì)管探頭的指套套在手指上，每次脈搏跳動(dòng)時(shí)由于血的涌入，光電探測(cè)器將透過(guò)手指動(dòng)脈血管的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，使得對(duì)管間的感應(yīng)電流下降，由此輸出一個(gè)信號(hào)給后級(jí)電路。

圖3 脈搏信號(hào)采集電路

2.4 濕度的測(cè)量

濕度傳感器采用電容式濕度傳感器，型號(hào)為HS1101[8-9]。電容式濕度傳感器的工作原理是極板間的介電常數(shù)隨電極間的濕度變化而變化，進(jìn)而電容值隨著介電常數(shù)的變化而變化。

HS1101電容式濕度傳感器在電路計(jì)算中等效為一個(gè)電容器件，測(cè)量時(shí)利用LMC555CH振蕩電路，將該濕敏電容的電容值的變化轉(zhuǎn)換成與之呈反比的LMC555CH振蕩電路的頻率值輸出，送進(jìn)系統(tǒng)處理。濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 濕度測(cè)量電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，隨后進(jìn)入主程序，調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序，按照分類(lèi)依次采集濕度、溫度、脈搏等數(shù)據(jù)，處理完畢后按不同地址存入存儲(chǔ)器，同時(shí)判斷采集的數(shù)據(jù)是否超過(guò)報(bào)警限值，若是則調(diào)用報(bào)警程序和顯示程序，否則直接調(diào)用顯示程序，在LCD上顯示檢測(cè)數(shù)值和波形。任何時(shí)刻判斷是否有鍵按下，若有則調(diào)用鍵盤(pán)控制子程序，識(shí)別所按的鍵后，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。其中檢測(cè)數(shù)值按每30 s存儲(chǔ)，按上下鍵可以調(diào)出相應(yīng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示[10]。

當(dāng)系統(tǒng)所測(cè)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)溫度1℃或低于預(yù)設(shè)溫度1℃時(shí)，向蜂鳴器送出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)斷開(kāi)加熱電路。按一下解除按鈕，就可中斷音響，停止報(bào)警，系統(tǒng)繼續(xù)工作，如果再按一下該鈕，系統(tǒng)又返回報(bào)警狀態(tài)。程序主要用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們模擬了FPGA與A/D芯片的接口模塊功能，即A/D芯片的串行數(shù)據(jù)的輸出端，加載一組測(cè)試數(shù)據(jù)，每16 bit為一組測(cè)試數(shù)據(jù)，模擬在真實(shí)電路中，先從A/D芯片讀取出二進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后在模塊的輸出端口觀察是否與給定的測(cè)試數(shù)據(jù)相一致。在ModelSim環(huán)境下，運(yùn)行程序得到如圖6所示的仿真波形，時(shí)間單位為10 ns，時(shí)間精度為1 ns。

圖6 FPGA與A/D芯片接口模塊的仿真波形

由圖6可以看出，從data_out端口輸出的并行數(shù)據(jù)就是從仿真測(cè)試文件中給定的那一組測(cè)試數(shù)據(jù)，因此FPGA可以正常處理數(shù)據(jù)。

如圖7所示，通過(guò)比較檢測(cè)溫度與實(shí)際溫度的時(shí)間關(guān)系，可以看出檢測(cè)溫度滯后于實(shí)際溫度300 ms左右，符合我們的理論計(jì)算值。因此在數(shù)據(jù)處理速度方面，基于FPGA的系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢(shì)。

圖7 溫度檢測(cè)滯后程度

由于信號(hào)采集過(guò)程中采用過(guò)采樣技術(shù)，我們通過(guò)測(cè)試脈搏波形信號(hào)，驗(yàn)證了信號(hào)分辨率和過(guò)采樣率的關(guān)系，隨著下抽率的增大，脈搏信號(hào)波形的細(xì)節(jié)越來(lái)越清楚，即分辨率越來(lái)越高。

5 結(jié)語(yǔ)

本嬰兒保溫箱在FPGA芯片的控制下，對(duì)傳統(tǒng)的嬰兒保溫箱的性能和安全性都作了升級(jí)，在系統(tǒng)中增加了紅外測(cè)溫和尿床監(jiān)測(cè)模塊。系統(tǒng)具有雙重溫度判斷電路、強(qiáng)制保護(hù)電路，避免了由于電路故障或處理不及時(shí)造成的保溫箱溫度過(guò)高或過(guò)低引起事故發(fā)生，保證了嬰兒保溫箱的溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。本系統(tǒng)具有處理數(shù)據(jù)速度快、通信方式多樣和便于遠(yuǎn)程醫(yī)療等特點(diǎn)，可為現(xiàn)代醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)提供可靠的支持。

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（收稿：2015-01-08 修回：2015-07-20）

Design of intelligent monitoring system for infant incubator based on field programmable gate array

LIU Jia-feng,DUAN Yuan-min
（School of Biomedical Engineering,Capital Medical University，Beijing 100069,China）

Objective To develop an intelligent monitoring system applied to the infant incubator.Methods Field programmable gate array(FPGA)Cyclone Ⅱ chip was used as the core component,and a scheme for dual temperature control system was put forward integrating multi function modules into a piece of FPGA to form a programmable system.Results The system could monitor the skin temperature,pulse and bedwetting of the infant as well as the temperature and humidity in the incubator,which could switch up mandatory protection circuit automatically in case of electrocircuit failure in order to keep the temperature in the incubator.Conclusion The system has stable performances,high precision,high reliability,easy operation,high efficiency,high portability and low power consumption,and thus can provide support for medical monitoring system.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（11）：14-17]

infant incubator;FPGA;intelligent monitoring;infrared temperature sensor

R318.6；TH772.2

A

1003-8868（2015）11-0014-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.11.014

首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)-臨床科研合作基金（14JL18）

劉加峰（1975—），男，博士，主要從事醫(yī)學(xué)圖像處理方面的研究工作，E-mail：ccmuljf@ccmu.edu.cn。

100069北京，首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（劉加峰，段元民）