安路科技：基于FPGA SoC的呼吸機系統設計

　　呼吸機是可以完全替代病人的呼吸或實現輔助呼吸功能的儀器，適用于呼吸衰竭，甚至停止呼吸的病人，它能幫助病人吸入氧氣和排出二氧化碳，是挽救危重病人的重要醫療設備。當前新冠肺炎感染者有很多重癥，呼吸機有重大的救助意義。

　　安路科技是中國本土的FPGA供應商，提供基于FPGA的SoC產品，本文推薦使用EF2M系列SoC芯片作為主控，提出一種正壓呼吸機的系統控制方案。

　　正壓呼吸機通過增加氣道內壓力的方法將空氣送入肺內，肺內的壓力增大使肺腔擴張。然后減壓，當壓力失去后，肺腔組織的彈性使肺部收縮到原來的形狀，把二氧化碳呼出體外。目前大部分呼吸機都是利用這種增加氣道內壓力的方法給病人送氣的。

　　一般采用直流電機控制呼吸機的氣壓，電機的控制為PWM信號，調節PWM信號的占空比和周期可以控制電機的轉速。FPGA邏輯可以產生高精度的PWM信號，氣壓控制平緩、精準，提供舒適穩定的氣壓。

　　直流電機工作后將氣流送至面罩內，面罩內有壓力傳感器，壓力傳感器把壓力轉換為電流信號，送到主控板需要通過ADC采集。安路的EF2M45LG144 SoC集成雙ADC，可以采集高達15路模擬信號。獲得氣壓數據后對氣流進行回饋調節，可以防止突然間的誤動作、氣管漏氣、以及供電電壓波動帶來的壓力精度偏移。

　　安路SoC是集成了 FPGA、MCU、ADC和Flash的單芯片系統，框圖如下：

　　安路EF2M45LG144器件在呼吸機系統控制方案上有下面幾個優點：

　　1. 支持高達114個通用IO，可以連接按鍵、顯示、通訊等更多外部接口。

　　2. 內置CortexM3硬核，工作頻率125MHz，集成I2C、SPI、Uart等外設，片內大容量SRAM作為MCU工作需要的ROM、RAM，是一個完備的單片機系統。單片機系統可完成參數設置、數據傳輸、狀態顯示、管理交互等功能。

　　3. MCU通過AHB總線和FPGA邏輯交互，完成PWM信號的參數配置，逐步調節PWM Step，這樣不會使氣流忽大忽小，讓患者的呼吸系統感到不適。

　　4. 內置ADC，采集高達15路模擬信號。

　　5. 內置Flash，存儲MCU程序、FPGA配置，芯片上電后，MCU、FPGA兩個部分都可以啟動工作。

　　綜上所述，選用安路SoC芯片，集成度高，可以大大簡化系統電路，提高系統的靈活性以及性價比。另外，除了臨床使用的醫用呼吸機，隨著生活水平的提高，人們更關注健康，輕量型呼吸機適用于肺心病、哮喘、打鼾、呼吸暫停等癥狀，家用必備，市場前景非常廣闊。

　　關于安路科技

　　上海安路信息科技有限公司（簡稱“安路科技”）成立于2011年，專注于高集成度、高性能的可編程邏輯器件（FPGA）、可編程系統級芯片（SoC）、面向人工智能的AI通用加速芯片和相應算法軟件系統的研究、開發和產業化。安路科技根植中國，面向世界，填補中國FPGA行業市場空白，致力于成為主流通信市場的核心FPGA芯片供應商，成為工業控制和汽車電子市場的主要SoC芯片供應商，成為通用人工智能計算芯片領域重要方案供應商。