基于FPGA的婴儿保温箱智能监护系统设计

刘加峰，段元民

基于FPGA的婴儿保温箱智能监护系统设计

刘加峰，段元民

目的：研制一种新型的婴儿保温箱智能监护系统，以确保婴儿保温箱的工作安全可靠。方法：使用现场可编程门阵列（field-programmable gate array，FPGA）（CycloneⅡ）芯片作为核心部件，采用双重温度控制系统方案进行设计，将多个功能模块集成到一片FPGA中，构成片上可编程系统。结果：该系统可自动监测婴儿皮肤温度、脉搏以及是否尿床，自动监测和控制箱内的温度和湿度。且仪器发生电路故障时可自动切换到强制保护电路，维持保温箱内的温度，确保婴儿生命安全。结论：该系统性能稳定、精度高、安全可靠、操作方便，具有采集速率快、便携性好、功耗小等特点，可为现代医疗监护系统提供可靠的支持。

婴儿保温箱；现场可编程门阵列；智能监护；红外传感器

0 引言

对于早产儿或者低体质量儿，为了保持体温的恒定，以及对一些危重的患儿隔离，避免引起外界的感染，需要把他们放进可以使人体皮肤的蒸发、散热量和人体新陈代谢率处于最低状态的最适宜的中性温度环境中，从而保证新生儿体温恒定，以便更好地护理和观察。婴儿保温箱就是专为新生儿、病危儿、低体质量儿设计的医护装置，可以提供一个优良的中性环境温度，是新生儿病房临床治疗必备的重要设备[1]。

本文介绍一种基于现场可编程门阵列（field-programmable gate array，FPGA）的婴儿保温箱实时监护系统，克服了采用单片机作为控制器的一些缺陷，比如处理速度慢、系统升级难等，难以满足多通道高速数据采集系统的要求。FPGA系统可以在模数转换器（analog-to-digital converter，ADC）采样微弱信号时利用过采样技术提高分辨率的方法，使得信号检测精度更高；另外FPGA系统还提供多种外设接口，如USB、JTAG和以太网口等，为整个系统与外设通信等提供了方便，也利于系统的进一步升级。

1 系统硬件设计

本设计选用ALTRERA公司的Cyclone系列芯片EP1C3T144C8作为主控芯片，实现对数据的采集和交换。EP1C3T144C8采用基于全层铜静态随机处理内存（static random access memory，SRAM）工艺，支持多种I/O标准，2 910个逻辑单元（logic elements，LEs），1个内部锁相环（phase-locked loops，PLL），13个M4K RAM块，59 904个RAM位，104个可供使用的I/O。

整个监护系统主要包含数据采集、数据处理、系统报警、网络通信和驱动控制等模块[2-3]。系统硬件结构图如图1所示。在数据检测模块中，应用2种温度传感器分别检测箱内温度和婴儿表皮温度，相应信号经滤波、放大、采样后送入FPGA进行处理，并将温度实时显示在液晶显示器（liquid crystal display, LCD）上。当检测温度与相应预设值的偏差超过设定范围的时候，通过启动或停止加热装置来实现温度控制。当婴儿体温超出设定值，或者箱内温度超出报警设定值后，系统自动报警。

图1 系统硬件结构框图

在箱内和婴儿尿布下方，分别放置2个HS1101湿度传感器进行湿度信号检测，用来监控空气湿度和婴儿是否尿床。湿度传感器采集的信号送入FPGA进行计算和分析[4]，处理后的湿度值实时显示在LCD上。当检测到空气湿度值低于或高于预设值时，系统立即启动或停止加湿装置；当检测到婴儿尿床时，立即报警。

在FPGA系统之外，为了能够得到第二重安全保护作用，另外设立一个独立的超温监控电路，防止当FPGA系统损坏时造成意外伤害。该监护系统增设了一个空气过滤消毒装置，以对进入箱体内的空气进行消毒。

以上信息除了在LCD上实时用数值和图形方式显示外，还可以根据需要进行存储和通过接口进行发送。系统对各种检测信号预设报警值，对超出设定范围的检测情况进行报警。系统配有非易失性存储器，运行时系统参数在断电后仍可以保留。

2 数据采集电路设计

本系统信息的检测电路主要对箱内温度、体表温度、脉搏、湿度4个参数进行数据采集和测量。由于温度、湿度和脉搏等信号均为缓慢变化的低频信号，所以信号的采样频率都很低。为了提高现有ADC检测微弱信号的能力，简化系统电路和降低生产成本，在充分利用ADC采样速度的条件下，通过过采样技术来提高ADC的分辨率，实现对微弱信号的检测。A/D转换芯片在此选用德州仪器公司的10位串行接口芯片TLV1572。

2.1 箱内温度的测量

按照国家标准要求，将温度传感器放置在5个具体位置进行温度检测。一个温度传感器被放置在与床垫平行的平面上，与床垫间隔10 cm。同时在垫子中心上方10 cm处必须放置一个温度传感器。其余各点必须在长度和宽度的二等分线形成的4块面积的中心[2]。

本系统采用美国DALLAS公司生产的数字温度传感器DS18B20，其优点是将被测数据转化为微机可处理的位串行数字信号，并且多个DS18B20可以同时实现与FPGA的通信，9位的串行数据可通过简单的编程实现。由于每一个DS18B20的片内只读存储器（read-only memory，ROM）中都存有出厂时刻的唯一的序列号，因此经简单的通信协议FPGA即可以识别它们。访问DS18B20仅需要一根I/O口线（单线接口）来进行数据的读写，并可用一根I/O数据线既传输数据又供电。

2.2 体表温度的测量

本设计采用高灵敏度的红外传感器作为测温器件，分别测试婴儿额头与肚脐的体表温度[5]，实现了婴儿体温的非接触测量，具有测量时间短、使用方便等特点，提高了系统设计的灵活性。

红外传感器的输出电压与被测物体的温度是一一对应的，由此可以通过测量传感器的输出电压来确定被测物体的温度。由于环境温度是变化的，所以要准确地测量被测目标温度还需要进行环境温度的补偿。

环境温度的检测由环境温度检测电路来实现，其原理是把红外传感器中的热敏电阻阻值转换为电压输出[6-7]。由于热电偶输出电压是mV级的，因此需要进行放大。在热电偶输出电压检测电路中，我们设计了一个高性能的同向放大器电路，实现了对热电偶输出电压的线性放大，原理图如图2所示。

图2 温度测量电路图

红外传感器的热敏电阻的转换电压和热电偶输出电压经过放大电路放大后送到ADC芯片进行采样，采样后由FPGA对采样的数字电压量进行处理，经处理后可分别得到热电偶两端的温差和冷端的温度，2个值相加后可求出物体的真实温度，最后把结果送到数码管显示。

2.3 脉搏的测量

脉搏的测量是根据光的吸收量随动脉搏动而变化的原理设计的。如图3所示，信号是由一对红外发射、接收管组成的。当把装有对管探头的指套套在手指上，每次脉搏跳动时由于血的涌入，光电探测器将透过手指动脉血管的光信号转换成电信号，使得对管间的感应电流下降，由此输出一个信号给后级电路。

图3 脉搏信号采集电路

2.4 湿度的测量

湿度传感器采用电容式湿度传感器，型号为HS1101[8-9]。电容式湿度传感器的工作原理是极板间的介电常数随电极间的湿度变化而变化，进而电容值随着介电常数的变化而变化。

HS1101电容式湿度传感器在电路计算中等效为一个电容器件，测量时利用LMC555CH振荡电路，将该湿敏电容的电容值的变化转换成与之呈反比的LMC555CH振荡电路的频率值输出，送进系统处理。湿度测量电路设计如图4所示。

图4 湿度测量电路原理图

3 系统软件设计

系统上电后，首先进行系统初始化，随后进入主程序，调用数据采集子程序，按照分类依次采集湿度、温度、脉搏等数据，处理完毕后按不同地址存入存储器，同时判断采集的数据是否超过报警限值，若是则调用报警程序和显示程序，否则直接调用显示程序，在LCD上显示检测数值和波形。任何时刻判断是否有键按下，若有则调用键盘控制子程序，识别所按的键后，执行相应的任务。其中检测数值按每30 s存储，按上下键可以调出相应的存储数据并进行显示[10]。

当系统所测温度超过预设温度1℃或低于预设温度1℃时，向蜂鸣器送出报警信号，同时断开加热电路。按一下解除按钮，就可中断音响，停止报警，系统继续工作，如果再按一下该钮，系统又返回报警状态。程序主要用Verilog语言编写。软件流程图如图5所示。

图5 软件流程图

4 实验结果

我们模拟了FPGA与A/D芯片的接口模块功能，即A/D芯片的串行数据的输出端，加载一组测试数据，每16 bit为一组测试数据，模拟在真实电路中，先从A/D芯片读取出二进制数据，然后在模块的输出端口观察是否与给定的测试数据相一致。在ModelSim环境下，运行程序得到如图6所示的仿真波形，时间单位为10 ns，时间精度为1 ns。

图6 FPGA与A/D芯片接口模块的仿真波形

由图6可以看出，从data_out端口输出的并行数据就是从仿真测试文件中给定的那一组测试数据，因此FPGA可以正常处理数据。

如图7所示，通过比较检测温度与实际温度的时间关系，可以看出检测温度滞后于实际温度300 ms左右，符合我们的理论计算值。因此在数据处理速度方面，基于FPGA的系统具有很大优势。

图7 温度检测滞后程度

由于信号采集过程中采用过采样技术，我们通过测试脉搏波形信号，验证了信号分辨率和过采样率的关系，随着下抽率的增大，脉搏信号波形的细节越来越清楚，即分辨率越来越高。

5 结语

本婴儿保温箱在FPGA芯片的控制下，对传统的婴儿保温箱的性能和安全性都作了升级，在系统中增加了红外测温和尿床监测模块。系统具有双重温度判断电路、强制保护电路，避免了由于电路故障或处理不及时造成的保温箱温度过高或过低引起事故发生，保证了婴儿保温箱的温度控制系统运行安全可靠。本系统具有处理数据速度快、通信方式多样和便于远程医疗等特点，可为现代医疗监护系统提供可靠的支持。

[1]孙惠芹，刘志兰，刘南平，等.新型婴儿保温箱的设计[J].医疗卫生装备，2008，29（1）：18-20.

[2]路攀，胡兆燕，李淼.基于DS18B20的婴儿保温箱测温系统研究[J].中国医疗器械信息，2010，16（2）：30-34.

[3]冯冬青，张瑜，刘亚雷.婴儿保温箱智能监护系统设计[J].郑州大学学报，2009，41（2）：87-90.

[4]陈立万，黄青龙，刘万里.基于FPGA的数据采集系统的设计[J].合肥工业大学学报，2011，34（3）：359-362.

[5]方雪娟，汪定成，仝海霞.小儿体温测量部位的研究进展[J].护理研究，2005，19（10）：2 088-2 089.

[6]刘加峰，石宏理，李海云.基于HMS红外传感器的体温测量仪设计[J].医疗卫生装备，2011，32（7）：11-13.

[7]沈国彦，宋平.红外温度计测量体温方法探讨[J].仪表技术，2003（3）：9，42.

[8]吕鹏，陈雅楠，刘延武，等.婴儿尿床无线监测系统的研制[J].医疗卫生装备，2007，28（7）：19-21.

[9]梅荣.基于单片机的温湿度检测与控制系统研究[J].农机化研究，2012（1）：131-134.

[10]王冠，愈一鸣.面向CPLD/FPGA的Verilog设计[M].北京：机械工业出版社，2008.

（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

首都医科大学基础-临床科研合作基金（14JL18）

刘加峰（1975—），男，博士，主要从事医学图像处理方面的研究工作，E-mail：ccmuljf@ccmu.edu.cn。

100069北京，首都医科大学生物医学工程学院（刘加峰，段元民）