CN204637174U - 一种基于cpld的医疗输液自动监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于CPLD的医疗输液自动监控装置，主要由光电检测模块和测控模块组成，光电检测模块包括红外发光管和红外接收三极管；测控模块包括单片机和CPLD控制器，单片机通过SPI串行通信接口与CPLD控制器实现电连接，CPLD控制器包括可控计数器单元和并串转换单元，可控计数器单元的计数使能端与从设备数据输入线SDI相连接，可控计数器单元的计数时钟端为测控模块的被测信号输入端，可控计数器单元的计数输出端与并串转换单元的输入端相连接，并串转换单元的输出端与从设备数据输出线SDO相连接。本实用新型具有系统稳定性高，测量精度高，能够避免监控装置误报警的优点。

Description

一种基于CPLD的医疗输液自动监控装置

技术领域

本实用新型涉及一种医疗输液自动监控装置，具体是一种采用CPLD控制器对液滴流速进行测算的医疗输液自动监控装置，属于测控技术领域。

背景技术

病人接受输液治疗过程中，将液体容器挂在一定高度，利用势差将液体输入病人体内，用软管夹对软管夹紧和放松控制滴速。液体流动快慢依靠人工观察，液体的流速控制也是靠护士人工控制，这就难免造成控制不精确；并且输液过程还需要病人自行进行监控，包括液体是否流尽，是否出现由于空气未排除干净等因素引起的液体中途停止流动。如何使这种手工操作走向半自动化，让护理人员监控病人打点滴的进程时间得到充分利用，使能自理的病人自己能掌握点滴的速度，这就要求提供一种能简单、高效并且工作稳定的输液自动监控装置。

现有技术中红外线医疗输液自动监控装置通常由光电检测模块和测控模块组成，基本的测量原理是利用红外线的的物理性质来进行液滴流速测量，红外发光管和红外接收三极管位置相对的设置在输液滴管的两侧，形成光路上的对射；当被测物体(液滴)进入检测区时，红外光被遮挡，红外接收三极管接收不到红外光，传感器输出信号的电平发生改变，产生一个液滴计数信号，采用智能芯片便可以对该液滴计数信号进行计数，最终测量出单位时间内的下落液滴数量，从而估算出液滴流速，将估算出的液滴流速与阈值进行比较，若超过阈值则报警，提示医护人员进行输液设备检查与调整。

目前广泛采用的技术手段是由于单片机对光检测模块输出的液滴计数信号进行计数，虽然单片机在逻辑运算、智能控制方面，具有较好的特性，因此系统软硬件设计都较简单，调试容易，但是由于单片机工作可靠性低，某些情况下瞬间的复位也会造成严重后果，因此系统测量稳定性不高，测量精度的提高受限，可能造成监控装置误报警。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是：怎样提供一种测量稳定性高，测量精度高，能够避免监控装置误报警的医疗输液自动监控装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案。

一种基于CPLD的医疗输液自动监控装置，其特征在于：主要由光电检测模块和测控模块组成；

所述光电检测模块包括红外发光管和红外接收三极管；所述红外发光管的阳极与电源正极VDD相连接，红外发光管的阴极通过第一电阻R1与地相连接；所述红外接收三极管的集电极通过第二电阻R2与电源正极VDD相连接，红外接收三极管的发射极接地，红外接收三极管的集电极还与第一晶体管Q1的基极相连，第一晶体管Q1的集电极与电源正极VDD相连接，第一晶体管Q1的发射极通过第三电阻R3与地相连接，第一晶体管Q1的发射极为光电检测模块的信号输出端，所述第一晶体管Q1为NPN型三极管；

所述测控模块包括单片机和CPLD控制器，所述单片机通过SPI串行通信接口与CPLD控制器实现电连接，连接线记为：从设备数据输入线SDI，从设备数据输出线SDO，时钟信号线SCLK，从设备使能信号线CS；

所述CPLD控制器包括可控计数器单元和并串转换单元，所述可控计数器单元具有计数使能端，计数时钟端和计数输出端；所述可控计数器单元的计数使能端与所述从设备数据输入线SDI相连接；所述可控计数器单元的计数时钟端为测控模块的被测信号输入端；所述可控计数器单元的计数输出端与并串转换单元的输入端相连接，并串转换单元的输出端与从设备数据输出线SDO相连接；

所述测控模块的被测信号输入端与光电检测模块的信号输出端相连接；所述单片机的输出口还与报警装置的输入口相连接。

进一步的，所述单片机的输入口还与拉力传感器的输出口相连接。

相比现有技术，本实用新型具有如下优点：本实用新型利用红外线的物理性质来进行液滴流速测量，红外发光管发出的红外光能够被红外接收三极管所检测，由于红外光波长比可见光长，因此受可见光的影响小，这有利于用简单的电路结构便设计出稳定的测速电路，红外发光管和红外接收三极管位置相对的设置在输液滴管的两侧，形成光路上的对射；当被测物体(液滴)进入检测区时，红外光被遮挡，红外接收三极管接收不到红外光，传感器输出信号的电平发生改变，产生一个液滴计数信号。

本实用新型采用单片机和CPLD控制器双核心进行测控模块设计，从而完成对液滴计数信号的测量，单片机和CPLD控制器之间采用SPI串行通信接口进行电连接，实现了单片机和CPLD之间的通信，单片机作为主设备可以通过从设备数据输入线SDI向可控计数器单元的计数使能端发送闸门时间信号，而内部计数测量则由CPLD利用其丰富的内部数字逻辑资源实现，由于是纯数字电路硬件实现，工作状况稳定，CPLD内部计数单元的计数输出则经内部并串转换单元转换为串行信号后通过从设备数据输出线SDO传输至单片机，单片机将该数据用于与阈值比较，这就又充分利用了单片机在智能运算方面的优势；与现有技术中采用单一的单片机作为核心进行测量，由于单片机系统本身特性决定了系统工作稳定性相对纯硬件电路差的状况相比，本实用新型具有系统工作稳定性强，测量精度高的优点。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构图；

图2为本实用新型使用的对射式红外传感器；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，一种基于CPLD的医疗输液自动监控装置，主要由光电检测模块和测控模块组成。

(一)光电检测模块包括红外发光管和红外接收三极管两个核心器件，所完成的主要工作机理是：红外发光管和红外接收三极管位置相对的设置在输液滴管的两侧，形成光路上的对射；当被测物体(液滴)进入检测区时，红外光被遮挡，红外接收三极管接收不到红外光，传感器输出信号的电平发生改变，产生一个液滴计数信号，该信号即是光电检测模块的输出信号。具体电路连接关系是：红外发光管的阳极与电源正极VDD相连接，红外发光管的阴极通过第一电阻R1与地相连接；红外接收三极管的集电极通过第二电阻R2与电源正极VDD相连接，红外接收三极管的发射极接地，红外接收三极管的集电极还与第一晶体管Q1的基极相连，第一晶体管Q1的集电极与电源正极VDD相连接，第一晶体管Q1的发射极通过第三电阻R3与地相连接，第一晶体管Q1的发射极为光电检测模块的信号输出端，其中第一晶体管Q1为NPN型三极管。

(二)测控模块包括单片机和CPLD控制器，单片机通过SPI串行通信接口与CPLD控制器实现电连接。实现上述通信连接的基础是：单片机作为一种智能控制芯片可以模拟SPI控制时序，今而实现单片机SPI总线向CPLD控制器发送数据和命令来控制CPLD内部数字逻辑单元，具体电路连接关系是：单片机的第一输入输出口与CPLD控制器的第一输入输出口相连接，连接线记为从设备数据输入线SDI；单片机的第二输入输出口与CPLD控制器的第二输入输出口相连接，连接线记为从设备数据输出线SDO；单片机的第四输入输出口与CPLD控制器的第四输入输出口相连接，连接线记为时钟信号线SCLK；单片机的第四输入输出口与CPLD控制器的第四输入输出口相连接，连接线记为从设备使能信号线CS。总之单片机的四个输入输出口与CPLD控制器的四个输入输出口分别对应相连接，由单片机产生SPI工作时序实现单片机与CPLD控制器之间的SPI通信接口，从而完成两者之间数据的传输。具体的单片机可选用MCS51系列，CPLD控制器可采用EPM7032S型CPLD控制器实现。

而CPLD控制器内部数字逻辑电路的电路连接关系是：CPLD控制器包括可控计数器单元和并串转换单元，可控计数器单元具有计数使能端，计数时钟端和计数输出端；可控计数器单元的计数使能端与所述从设备数据输入线SDI相连接，可控计数器单元的计数时钟端为被测信号输入端，可控计数器单元的计数输出端与并串转换单元的输入端相连接，并串转换单元的输出端与从设备数据输出线SDO相连接。具体的可控计数单元可以利用原理图设计方式调用计数器模块实现。而并串转换单元具体的可以调用8个带有置位端的寄存器(调用8个寄存器是以并行输入端数据宽度为1个字节为例)，将此8个带有置位端的寄存器首尾串联，也即是第一个带有置位端的寄存器的数据输出Q端与第二个带有置位端的寄存器的数据输入D端相连接，第二个带有置位端的寄存器的数据输出Q端与第三个带有置位端的寄存器的数据输入D端相连接，直至第七个带有置位端的寄存器的数据输出Q端与第八个带有置位端的寄存器的数据输入D端相连接；第八个带有置位端的寄存器的数据输出Q端即是并串转换单元的输出端，而八个带有置位端的寄存器的置位端即是并串转换单元的输入端，八个带有置位端的寄存器的时钟端连接在一起(以上设计是采用CPLD设计中的原理图设计方式实现的)。

本实用新型的工作原理如下，光电检测模块部分工作原理阐述：本实用新型中，如图2所示，红外发光管和红外接收三极管形成对射式红外传感器，外发光管和红外接收三极管位置相对的设置在输液滴管的两侧，两者光轴重合在同一条直线上，当被测物体(液滴)进入检测区时，红外光被遮挡，红外接收三极管接收不到红外光，传感器输出信号的电平发生改变，产生一个液滴计数信号，采用智能芯片便可以对该液滴计数信号进行计数，最终测量出单位时间内的下落液滴数量，从而估算出液滴流速。本实用新型中的第一晶体管Q1作为一个放大用晶体管对红外传感器输出信号做进一步的放大，以利于单片机等智能芯片计数处理。当没有液滴下落时，红外接收三极管导通，内阻较小，红外接收三极管集电极上的电位值比较小，第一晶体管Q1不导通，第一晶体管的发射极上出现一个低电平；而当有液滴下落时，光路被阻断，红外接收三极管导通程度下降，其内阻增大，其集电极上的电位升高，第一晶体管Q1导通，第一晶体管Q1的发射极上出现一个高电平，因此当每出现一次液滴下落时，第一晶体管Q1的发射极上就会出现一个上升沿，由于红外发光管和红外接收三极管构成的光检测传感器受到可见光的影响很小，并且红外发光管和红外接收三极管位置相对的设置在输液滴管的两侧，形成光路上的对射，当液滴下落方向与光路方向正交时，由下落液滴触发的一晶体管Q1的发射极上的上升沿信号很强，容易被检测处理。

测控模块部分的原理阐述：首先介绍单片机如何实现与CPLD之间的通信控制，然后阐述二者如何配合发挥各自优势实现测量。单片机与CPLD之间的通信控制：单片机产生SPI工作时序实现单片机与CPLD控制器之间的SPI通信接口，这种通信方式至少具有根4线(只需要单向通信时3根线也可实现)，具体的分别是：1、从设备数据输入线SDI，也是主设备数据输出线；2、从设备数据输出线SDO，也是主设备数据输入线；3、时钟信号线SCLK，时钟信号由主设备产生。在本实用新型中单片机为主设备，CPLD为从设备，CPLD在接收到单片机的数据后可以首先暂存，然后用于CPLD内部数字逻辑单元的控制或者数据输入，CPLD为大规模可编程数字集成电路，内部具有大量数字逻辑单元，通过硬件描述语言或者原理图调用设计均可实现复杂稳定的数字逻辑，从而为整个系统提供高速、稳定的硬件基础。

具体测量的实现：测量的基本原理是测频法，就是在确定的闸门时间Tg内，记录被测信号的变化周期数(或脉冲个数)Nx，则被测信号的频率为：fx＝Nx/Tg。本实用新型中可控计数器单元的计数使能端与所述从设备数据输入线SDI相连接，因此单片机作为主设备发送闸门时间信号(闸门时间为Tg，也即是一个高电平时长为Tg的一个数字信号)给可控计数器单元的计数使能端，可控计数器单元的计数时钟端为被测信号输入端，因此被测信号(光电检测模块的输出信号)作为计数时钟被可控计数器单元计数，闸门时间内被测信号的变化周期数(或脉冲个数)Nx从可控计数器单元的计数输出端输出，被并串转换电路转换为串行信号，通过从设备数据输出线SDO发送至单片机这一主设备，单片机对数据进行转换处理(主要是依据公式fx＝Nx/Tg进行频率计算和显示译码)即可用于显示。单片机测算出当前液体流速(每单位时间下落的液滴数)后，可将此流速信息进行显示，供医护人员从医学角度判断该流速是否适合于当前所使用的液体种类，当液体流尽后，单片机可控制蜂鸣器发出流尽报警信号提醒医护人员，如果出现液体中途停止流动，单片机也可以准确判断发出相应的报警信号。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方。案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于CPLD的医疗输液自动监控装置，其特征在于：主要由光电检测模块和测控模块组成；

所述光电检测模块包括红外发光管和红外接收三极管；所述红外发光管的阳极与电源正极VDD相连接，红外发光管的阴极通过第一电阻R1与地相连接；所述红外接收三极管的集电极通过第二电阻R2与电源正极VDD相连接，红外接收三极管的发射极接地，红外接收三极管的集电极还与第一晶体管Q1的基极相连，第一晶体管Q1的集电极与电源正极VDD相连接，第一晶体管Q1的发射极通过第三电阻R3与地相连接，第一晶体管Q1的发射极为光电检测模块的信号输出端，所述第一晶体管Q1为NPN型三极管；

所述测控模块包括单片机和CPLD控制器，所述单片机通过SPI串行通信接口与CPLD控制器实现电连接，连接线记为：从设备数据输入线SDI，从设备数据输出线SDO，时钟信号线SCLK，从设备使能信号线CS；

所述CPLD控制器包括可控计数器单元和并串转换单元，所述可控计数器单元具有计数使能端，计数时钟端和计数输出端；所述可控计数器单元的计数使能端与所述从设备数据输入线SDI相连接；所述可控计数器单元的计数时钟端为测控模块的被测信号输入端；所述可控计数器单元的计数输出端与并串转换单元的输入端相连接，并串转换单元的输出端与从设备数据输出线SDO相连接；

所述测控模块的被测信号输入端与光电检测模块的信号输出端相连接；所述单片机的输出口还与报警装置的输入口相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于CPLD的医疗输液自动监控装置，其特征在于：其特征在于，所述CPLD控制器为EPM7032S芯片。