基于FPGA SoC的呼吸机系统设计

呼吸机是可以完全替代病人的呼吸或实现辅助呼吸功能的仪器，适用于呼吸衰竭，甚至停止呼吸的病人，它能帮助病人吸入氧气和排出二氧化碳，是挽救危重病人的重要医疗设备。当前新冠肺炎感染者有很多重症，呼吸机有重大的救助意义。

安路科技是中国本土的FPGA供应商，提供基于FPGA的SoC产品，本文推荐使用EF2M系列SoC芯片作为主控，提出一种正压呼吸机的系统控制方案。

正压呼吸机通过增加气道内压力的方法将空气送入肺内，肺内的压力增大使肺腔扩张。然后减压，当压力失去后，肺腔组织的弹性使肺部收缩到原来的形状，把二氧化碳呼出体外。目前大部分呼吸机都是利用这种增加气道内压力的方法给病人送气的。

一般采用直流电机控制的气压，电机的控制为PWM信号，调节PWM信号的占空比和周期可以控制电机的转速。FPGA逻辑可以产生高精度的PWM信号，气压控制平缓、精准，提供舒适稳定的气压。

直流电机工作后将气流送至面罩内，面罩内有压力传感器，压力传感器把压力转换为电流信号，送到主控板需要通过ADC采集。安路的EF2M45LG144 SoC集成双ADC，可以采集高达15路模拟信号。获得气压数据后对气流进行回馈调节，可以防止突然间的误动作、气管漏气、以及供电电压波动带来的压力精度偏移。

安路SoC是集成了 FPGA、MCU、ADC和Flash的单芯片系统，框图如下：

安路EF2M45LG144器件在呼吸机系统控制方案上有下面几个优点：

1. 支持高达114个通用IO，可以连接按键、显示、通讯等更多外部接口。

2. 内置CortexM3硬核，工作频率125MHz，集成I2C、SPI、Uart等外设，片内大容量SRAM作为MCU工作需要的ROM、RAM，是一个完备的单片机系统。单片机系统可完成参数设置、数据传输、状态显示、管理交互等功能。

3. MCU通过AHB总线和FPGA逻辑交互，完成PWM信号的参数配置，逐步调节PWM Step，这样不会使气流忽大忽小，让患者的呼吸系统感到不适。

4. 内置ADC，采集高达15路模拟信号。

5. 内置Flash，存储MCU程序、FPGA配置，芯片上电后，MCU、FPGA两个部分都可以启动工作。

综上所述，选用安路SoC芯片，集成度高，可以大大简化系统电路，提高系统的灵活性以及性价比。另外，除了临床使用的医用呼吸机，随着生活水平的提高，人们更关注健康，轻量型呼吸机适用于肺心病、哮喘、打鼾、呼吸暂停等症状，家用必备，市场前景非常广阔。