基于Zynq的NI MyRIO在人工心臟血泵系統(tǒng)中的應用

人工心臟血泵是用來代替心臟工作的變速、變容量的小型泵，以此來保證病人的正常的身體機能，按照植入位置可分為體外式和植入式。傳統(tǒng)的血泵一般都采用機械驅動的軸承葉輪，但是這種方式有著明顯的缺點，比如對于軸承接觸區(qū)會造成壓力和產(chǎn)生熱量，進而造成溶血（破壞紅細胞）和血栓（血液凝塊）。這對血液流動是非常不好的。此外，這類醫(yī)療型應用要求任何與血液接觸的部分都必須是一次性的，避免感染。

在近期舉辦的NI技術峰會上來自美國的MIT精準運動控制實驗室的研究人員介紹了他們設計和開發(fā)的基于磁懸浮的無軸人工心臟血泵系統(tǒng)原型。通過磁場非耦合的方式取代軸承來驅動葉輪的轉動，磁場的控制可以采用電感線圈來實現(xiàn)，這在一定程度了降低了系統(tǒng)的復雜性，同時也降低了成本。

圖1：MIT精準運動控制實驗室推出的人工心臟血泵系統(tǒng)原型

控制定子線圈產(chǎn)生正確的磁場需要對十二個電磁鐵采用閉環(huán)控制，MIT設計團隊采用的是NI推出的MyRIO嵌入式控制器平臺，借助NI LabVIEW系統(tǒng)設計工具能夠快速的搭建閉環(huán)控制系統(tǒng)，此外MyRIO集成的是Xilinx Zynq Z-7010 SoC器件，具備豐富的高速可編程邏輯資源，這對于提供實時、可靠的閉環(huán)控制是非常有必要的。

圖2：NI推出的基于Xilinx Zynq SoC的MyRIO控制器

閉環(huán)控制反饋部分主要采用四個渦流傳感器，采用的是TI LDC1101 16位電感數(shù)字轉換器，它們被分為兩對分別測量不同轉子的實時位置，與NI MyRIO的通信則采用的是五線SPI接口。閉環(huán)控制以及反饋控制算法都是在Zynq SoC的可編程邏輯部分實現(xiàn)的，因為基于微控制器或者微處理器實現(xiàn)的軟件算法不能達到系統(tǒng)實時性和絕對可靠性的要求，實際的閉環(huán)刷新率達10KHz（理論上MyRIO控制器支持46KHz的刷新率）。此外Zynq SoC的ARM處理器可以用來實現(xiàn)用戶界面以及數(shù)據(jù)日志等功能。

圖3：閉環(huán)控制反饋環(huán)節(jié)的設計

作為一款配備NI工業(yè)級標準可重配置I/O （RIO） 技術的產(chǎn)品，NI myRIO繼承了雙核ARM Cortex-A9的實時性能以及Xilinx FPGA可定制化I/O。它的便攜性、無縫軟件操作幫助用戶快速實現(xiàn)完整的嵌入式工程項目。