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基于ARM7的呼吸力学参数检测系统的设计精

技术创新

《微计算机信息》（嵌入式与SOC2010年第26卷第6-2期

现场总线技术应用200例ARM开发与应用

基于ARM7的呼吸力学参数检测系统的设计

DesignofameasuringsystemforrespiratorymechanicsparametersbasedonARM7

（泸州医学院

黄志伟杨国城尹德辉

HUANGZhi-weiYANGGuo-chengYINDe-hui

摘要:

在气流伯努利定理的基础上,设计和开发了基于ADuC7024的呼吸力学参数检测系统。

介绍了该系统的传感器选型、

放大电路设计、三通阀控制电路等硬件关键技术,同时对系统的应用程序和人机交互界面实现的功能也做了阐述。

临床对比实验表明,该检测系统能有效监测病人呼吸气道的各项力学参数,实现对麻醉呼吸机工作状态的监测和病人呼吸气道的实时监测,对肺部疾病的家庭保健和预防起到很好的指导作用。

关键词:

ADuC7024;呼吸力学参数;检测系统中图分类号:

TP274.2文献标识码:

A

Abstract:

ameasuringsystemforrespiratorymechanicsparametersbasedonADuC7024isdevelopedanddesigned,basedontheBernoulli’stheorem.Thispaperintroducessomekeyproblemslikethesensorchoosing,amplifierandvalvecontrolcircuitdesigning,expatiatestheapplicationandman-machineinterface.Theclinicalcontrastresultsshowthatthemeasuringsystemcouldeffectivelymonitorthepatient’srespiratorymechanicsparameters,couldmonitorworkstatusoftheventilatorandinstructthelungdisease’scareandprevention.

Keywords:

ADuC7024;respiratorymechanicsparameter;measuringsystem

文章编号:

1008-0570（201006-2-0114-02

1前言

目前临床监护仪对呼吸参量的检测大多数采用阻抗法,只能测量呼吸频率,不能测量和反映病人肺部功能的其他重要生理参数。

呼吸力学的方法则是以工程学的观点和方法研究呼吸生理学中呼吸系统的力学问题。

这种方法已经在麻醉呼吸机上有应用,但是操作技术需要很强的专业知识。

随着微处理器和高灵敏度传感器的技术应用,呼吸力学监测模块的实现越来越小巧、智能和便宜,可以脱离呼吸机和专业医护人员的操作,逐渐适用于普通家庭用户的使用。

这对于肺部疾病的家庭保健和预防具有很好的指导作用。

本文设计和开发了基于ADuC7024的呼吸力学参数检测系统。

介绍了该系统的传感器选型、放大电路设计、三通阀控制电路等硬件关键技术,讨论了它的硬件结构和软件功能,并在临床上验证了其检测有效性,同时对系统的应用程序和人机交互界面实现的功能也做了阐述。

2检测原理

呼吸力学所要检测的三个基本参量是气道压力、气流流速和呼吸气体容积,而其他呼吸力学指标如气道阻力、分钟通气量和肺动态顺应性等都可以通过这三个量进行推算。

又因为气流的容积就是流速对时间的积分,而时间可以由ARM7芯片的采样引入确定,这样流速和压力的检测就成为参数检测系统最重要和核心的部分。

流量传感器是一个带支架的薄膜,薄膜允许气流双向通过其可变的节流孔。

根据气流的伯努利定理,节流孔两端的压力细微变化与气流流速的变化相关联,所以通过测量流量传感器两端的压力差就可以反映出流速的值。

测量气道的压力采用压差传感器,典型的压差传感器有两个端口,一个端口测量气道的压力,另一个端口则直接悬空测量大气压力,因为人体的肺内压是相当于外界大气压而言的。

这样流速和压力就可以由生理量转化为电信号进行检测,其检测原理框图如图1。

图1呼吸力学参数检测系统原理框图

3硬件部分

呼吸力学参数检测系统是一个以美国模拟器件公司（ADI生产的ADuC7024芯片为核心的数据采集和处理模块。

整个系统安装在一块4层的PCB板上,通过9针RS-232电缆和PC机进行通讯。

整个硬件部分由ADuC7024处理器、传感器、滤波处理、放大电路、三通阀驱动控制、JTAG仿真调试等组成。

3.1单片机ADuC7024

ADuC7024是基于ARM7TDMI的控制器集成了10通道12位的ADC,2通道12位带缓冲的DAC,电压比较器,62KB可在系统中编程的片内闪速/电擦除存储器和8KBRAM,串行接口包括UART、SPI和2个I2C,用于下载/调试的JTAG端口,4个定时器,30个通用I/O引脚,片内可编程逻辑阵列。

CPU时钟高达45MHz,片内晶体振荡器和片内PLL。

ADuC7024将通过片内12位AD完成两路压力信号的采

黄志伟:

讲师硕士

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集、波形特征识别和处理、相关呼吸力学参数的识别和计算、传感器状态检测与报警以及与上位机的命令通讯和数据传输。

3.2传感器

系统采用两种传感器:

一种是流量传感器,一种是压力传感器。

流量传感器选用HAMLITON公司的PN155362型,可以提供病人呼吸回路精确的流量、容积和压力测量,可变的调节孔在潮湿和分泌物的情况下也可以提供精确的信号。

系统引入两个压力传感器:

一个与流量传感器连接,完成与流速对应的压差的检测,选用10inchH2O（25.6cmH2O/50mV的NOVA的固态压力传感器,确保精度为±1cmH2O;另外一个压力传感器是与气路连接的,是完成气路内压力的监测,这里选择了

1psi（70.4cmH2O/75mV的NOVA的固态压力传感器,可以适当调整激励电流以达到120cmH2O的压力监测范围,精度为±1cmH2O。

3.3放大电路

由于压力传感器输出的电压最大只有75mV,ADuC7024自带的AD输入电压范围为0~3.3V,不能输入负电压,但是我们检测的流量和压力都有负值,所以需要设计给仪表放大器加一定调节电压的电路,使得压力传感器检测到负压力时,AD端输入电压不会为负值。

压力信号的放大采用两级放大,将第二级差分运放的参考电压抬高到规格中最小负压力所对应的电压,取这个参考电压为调节电压VADJ。

下位机计算时将测量过程中的压力减去零点初值,相应地获得正负压力和流量的测量。

具体电路如图2所示。

图2流量和压力信号放大电路

3.4三通阀控制电路

三通阀的作用是使两个压力传感器同时对着大气,抑制压力传感器到AD输入之间电路的漂移。

压力传感器为两路气管输入,每个气管需接一个三通阀,共需两个三通阀。

在硬件上使用一个端口来控制两个三通阀的驱动电路。

三通阀的工作电压为+12VDC,电流为40mA左右,功率550mW。

三通阀的控制采用MOS管做驱动。

MOS管2N7002LT1的驱动电流为800mA,导通电阻13.5Ω,但连续电流为115mA。

CPU的控制线经电平转换为5V电平。

当CPU输出为“1”时,MOS管的Vgs电压约为4.5V,查

MOS的转移特性曲线,得Id电流为300mA左右,大于40mA,能确保三通阀正常动作。

三通阀控制电路如图3所示。

4软件部分

为了实现系统的工作稳定性、软件的可移植性且便于日后升级,带ARM7内核的ADuC7024采用嵌入式操作系统是非常有必要的。

本系统采用源代码公开的μC/OSII操作系统,μC/

OSII具有内核小、结构简单、可移植性和可裁剪性好等优点。

软

件部分应用程序主要完成实时数据的采集和滤波处理、呼吸力学波形识别和参数的计算以及串口通讯功能。

为了满足系统可

靠性及功能安全性需求,系统软件还要完成硬件系统上电后的自检和初始化设置,并具有工作状态监测和异常处理功能,对系统软硬件出现的错误或异常进行及时处理。

软件部分的人机交互界面可以显示单片机系统计算得到的各项数据和波形信息,对单片机系统进行控制,并可进行数据保存和检测结果的回放。

呼吸力学参数检测系统的人机交互界面如图4所示。

图3三通阀控制电路原理图

图4呼吸力学参数检测系统的人机交互界面

5实验结果

在实验室针对本系统测量流速和压力的准确性进行了多

次验证,结果表明流速测量相比标准流量计的误差是8.43%,压力测量相比标准气压力的误差是2.5%,都在系统规格设定的范围以内。

为了进一步验证本系统测量推导参量的准确性和可靠性,在临床手术室对本系统和西门子呼吸机进行了一次对比实验。

这个病人手术时使用西门子麻醉工作站做全身麻醉和机械通气,同时对呼吸力学参数进行检测。

实验时把自制的检测系统串接在西门子呼吸机和病人气道之间,观察两套仪器监测的参数以作对比。

表1列出了本次对比实验的部分测量结果。

表1检测参数临床实验结果对照表

对比实验结果表明,由本系统检测到的呼吸力学参数和西门子呼吸机的参数具有很好的相关性,相关系数为0.89,测量结果准确,能够较好的监测呼吸机当前的工作状态和病人呼吸气道的状况。

特别是本设计生成的呼吸力学模块摆脱了监护仪或呼吸机对计算机和专业医护人员的依赖,体积小巧重量轻,易于操作、结果简单直观,非常适合个人或家庭对肺部功能的快速测定和分析,对肺部的保健和预防起到很好的指导作用。

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部门参考。

3.4专家系统

专家系统软件主要包括数据库、知识库和推理机三个部分,采用SQLserverCE开发完成。

故障诊断采用维修向导模式,通过人机对话方式进行诊断,在向导方式提示下操作,并通过触摸屏输入测试数据等信息,借助PMA进行故障诊断。

测试数据通过手动或自动录入,经过数据处理和归类送入数据库,推理机应用知识库中的规则对数据进行分析,得到决策结果指导操作人员开展维修,为了提高诊断可信性,数据库包括历史数据库和实时数据库两类,在进行故障诊断时可以结合历史和实时数据进行综合分析判断。

知识库的建立采用基于规则的表示方法,规则来源于装备的技术资料和实践积累的经验。

推理机用基于深度优先法则的模糊推理算法,最终根据置信度的高低来给出决策结果。

4小结

该项目所研制的PMA集测试设备和装备信息检索于一体,实现了IETM、装备信息化管理和故障诊断的功能,可以帮助野战条件下的维修人员做出正确的决策,实现智能化故障诊断,提高了技术人员获取装备技术资料和维修文件的快速性和便携性;针对装备现场维修研制特点研制的30MHz示波器和数字万用表,极大的方便了维修人员现场测试装备技术数据并对其管理,提高了装备野战条件下的保障效率。

本文作者创新点:

该PMA是将交互式电子技术手册（IETM与万用示波表创新性的结合,是在充分分析基层级维修需求的基础上量体裁衣研制的,适合野战条件下单兵维修保障需求,也是本系统设计的亮点,真正做到了以需求为牵引的号召,且价格低廉,系统价格为同样功能设备的四分之一,推广后将节省几百万保障经费。

参考文献

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航空航天大学出版社,2005.06.

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国防工业出版社,2005.02.

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航空航天大学出版社,2008.09.

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[5]张志俊田微.嵌入式系统中液晶显示的设计和管理[J].微计算机信息,2008,22:

28-30.

作者简介:

段道聚,男,1978年生,汉族,本科,讲师,主要从事武器

系统性能检测与故障诊断的研究。

Biography:

DUANDao-ju,male,bornin1978,theHannation-ality,bachelor,prelector,researchonthefunctiondetectionandfaultdiagnosisofweaponsystem.

（430075湖北武汉武汉军械士官学校雷达系段道聚谢荣岳

廖小健张景义

（RadarFacility,WuhanOrdnanceNoncommissionedOfficersSchoolofPLA,Wuhan,Hubei,430075,ChinaDUANDao-juXIERong-yueLIAOXiao-jianZHANGJing-yi

通讯地址:

（430075武汉市洪山区珞瑜路1038号武汉军械士官学校雷达系段道聚

（收稿日期:

2009.07.13（修稿日期:

2009.10.13

（上接第97页参考文献

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276—278.

作者介绍:

邓琛（1958-。

女,上海人,上海工程技术大学电子信息系副教授,硕士,主要从事无线通信、嵌入式系统研究和应用等方面的研究。

Biography:

DENGChen（1958-,female,Shanghai,Dept.ofElectricalandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Associateprofessor,Master,Researchinginwirelesscommunication,researchandapplicationforembeddedsystem.

（201620上海上海工程技术大学电子信息系邓琛

（Dept.ofElectricalandInformationEngineeringShanghaiU-niversityofEngineeringScienceShanghai201620,ChinaDENGChen

通讯地址:

（201105上海航北路123弄3号501室邓琛

（收稿日期:

2010.04.06（修稿日期:

2010.06.05

（上接第115页

本文作者创新观点:

采用呼吸力学的方法实现了对13个呼吸参数的准确实时监测,同时通过对ADuC7024外围电路的精心设计,实现了流量和压力的正负采集、传感器的在线校零和监测参数超标报警等功能,输出的板卡功耗低、上位机界面操作简便,具有很好的市场应用前景。

参考文献

[1]王君健,呼吸力学[M],北京:

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770-773

[3]黄静,刘德忠等,基于AT89S52的微注射器控制系统开发[J],微计算机信息,2007,23（8:

102-103

作者简介:

黄志伟（1979-,男,四川自贡人,硕士,现泸州医学院生物医学工程系,讲师,研究方向为生物医学信息与仪器。

Biography:

HUANGZhi-wei,（1979-,Male,LecturerinDepartmentofBio-MedicalEngineering,LuzhouMedicalCollege,majorinBio-Medicalinformationandinstrumentation.（646000四川泸州泸州医学院生物医学工程系黄志伟杨国城

尹德辉

（DepartmentofBio-MedicalEngineering,LuzhouMedicalCollege,LuzhouSichuan,646000,ChinaHUANGZhi-weiYANGGuo-chengYINDe-hui

通讯地址:

（646000四川泸州医学院生物医学工程系黄志伟

（收稿日期:

2009.07.28（修稿日期:

2009.10.28

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