基于模/数混合FPGA的手术室净化控制系统设计及实现

　　1引言

　　随着医疗技术和医学工程的发展， 现代化手术室建设已经成为医院现代化发展的重要标志之一[1]。 以全球首个混合信号 Actel Fusion 系列的 FPGA 作为核心， 对手术室净化系统进行了设计。 利用 FPGA 内部集成的大功率 A/D 转换器与 PWM模拟模块作为采样以及回控信号，提出了完美的单芯片解决方案。 不仅如此，在设计及实现过程中对硬件线路充分预留，利用该 FPGA 的 Flash 架构，使得软硬件更新升级易于实现，让数字化手术室成为一个有机的整体，并与数字化医院有机契合[2]。

　　2系统实现原理

　　图 1 示出基于模/数混合信号 FPGA 的手术室净化控制系统总体框图。 各部分的主要功能是：通过传感器将温度、湿度、气压等多路信号输入转换成变化的电流或者电压信号传输给 FPGA; 利用键盘输入实现人机交互， 设定控制阈值; 利用RS -232 与 上 位 机 通 信 交 换 数据;LCD 采样信息及提示显示在误动作或者峰值超标时由报警单元发出蜂鸣;模块化的可扩展反控接口模块接入强电控制箱，对手术室净化系统进行控制;采用内含有 60 W 逻辑门的AFS600 作为最核心的即带有模拟器件的混合信号 Actel Fu-sion 系列 FPGA。 采用 Actel FPGA 专用的 Libero IDE8.0 软件进行环境开发[3].

　　3 FPGA内部模块设计

　　图 2 给出 FPGA 内部电路所含模块及硬件连线。

  3.1时钟PLL模块

　　AFS600 内部自带 2 个 PLL， 并有多种时钟源获取方式，这里采用 48 MHz 外部晶体振荡器, 利用 PLL 将晶体振荡器精确地分频成 3 种不同的频率， 分别供给 A/D 转换模块、Core51 模块及 PWM 模块。

　　3.2 A/D转换模块

　　AFS600 内部带有 30 个 12 位采样精度，600 K/s 速度的 A/D转换器，采样电压范围最大可以设置成-12～+12 V。 传感器转换得来的电压信号通过 A/D 转换器发送到 Core51 内核处理。

　　3.3 PWM模块

　　AFS600 拥有 10 个驱动可调的 MOSEFT 输出 ，通过内部的 PWM 模块连接强电控制箱控制输出， 使得外部环境不断接近设定阈值。 该 PWM 模块包括 32 bit 移位寄存器。 由于Core51 内核的引脚有限 ， 所以带锁存的移位寄存器是连接Core51 和 PWM 模块的关键部件。

　　3.4 Core51内核

　　利用 Libero IDE 自带的 Core Console 软件可以很容易地在 FPGA 内部构建出一个类似于 8051 的单片机内核[4]。 有了该内核不仅可以在 FPGA 内部连接 A/D 转换器、PWM 等模块，还可以将单片机引脚作为外部引脚引出，连接 LCD、键盘等外围设备。 这样即可方便地移植成熟的单片机，控制 LCD程序和键盘输入程序等。