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

Design of a measuring system for respiratory mechanics parameters based on ARM7 (泸州医学院 黄志伟 杨国城 尹德辉

HUANG Zhi-wei YANG Guo-cheng YIN De-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:a measuring system for respiratory mechanics parameters based on ADuC7024is developed and designed, based on the Bernoulli ’ s theorem. This paper introduces some key problems like the sensor choosing, amplifier and valve control circuit designing, expatiates the application and man -machine interface. The clinical contrast results show that the measuring system could effectively monitor the patient ’ s respiratory mechanics parameters, could monitor work status of the ventilator and instruct the lung disease ’ s care and prevention.

Key words:ADuC7024; respiratory mechanics parameter; measuring system 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 8KB RAM, 串行接口包 括 UART 、 SPI 和 2个 I 2C, 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 V ADJ 。 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