基于Zynq的NI MyRIO在人工心脏血泵系统中的应用

人工心脏血泵是用来代替心脏工作的变速、变容量的小型泵，以此来保证病人的正常的身体机能，按照植入位置可分为体外式和植入式。传统的血泵一般都采用机械驱动的轴承叶轮，但是这种方式有着明显的缺点，比如对于轴承接触区会造成压力和产生热量，进而造成溶血（破坏红细胞）和血栓（血液凝块）。这对血液流动是非常不好的。此外，这类医疗型应用要求任何与血液接触的部分都必须是一次性的，避免感染。

在近期举办的NI技术峰会上来自美国的MIT精准运动控制实验室的研究人员介绍了他们设计和开发的基于磁悬浮的无轴人工心脏血泵系统原型。通过磁场非耦合的方式取代轴承来驱动叶轮的转动，磁场的控制可以采用电感线圈来实现，这在一定程度了降低了系统的复杂性，同时也降低了成本。

 

图1：MIT精准运动控制实验室推出的人工心脏血泵系统原型

控制定子线圈产生正确的磁场需要对十二个电磁铁采用闭环控制，MIT设计团队采用的是NI推出的MyRIO嵌入式控制器平台，借助NI LabVIEW系统设计工具能够快速的搭建闭环控制系统，此外MyRIO集成的是Xilinx Zynq Z-7010 SoC器件，具备丰富的高速可编程逻辑资源，这对于提供实时、可靠的闭环控制是非常有必要的。

 

图2：NI推出的基于Xilinx Zynq SoC的MyRIO控制器

闭环控制反馈部分主要采用四个涡流传感器，采用的是TI LDC1101 16位电感数字转换器，它们被分为两对分别测量不同转子的实时位置，与NI MyRIO的通信则采用的是五线SPI接口。闭环控制以及反馈控制算法都是在Zynq SoC的可编程逻辑部分实现的，因为基于微控制器或者微处理器实现的软件算法不能达到系统实时性和绝对可靠性的要求，实际的闭环刷新率达10KHz（理论上MyRIO控制器支持46KHz的刷新率）。此外Zynq SoC的ARM处理器可以用来实现用户界面以及数据日志等功能。

图3：闭环控制反馈环节的设计

作为一款配备NI工业级标准可重配置I/O （RIO） 技术的产品，NI myRIO继承了双核ARM Cortex-A9的实时性能以及Xilinx FPGA可定制化I/O。它的便携性、无缝软件操作帮助用户快速实现完整的嵌入式工程项目。