STM32开发的除颤器检定标准源

    除颤器是现代急救系统的主要设备，在抢救心搏骤停(Sudden Cardiac Arrest,
SCA)患者时，通过对患者心脏释放脉冲电流消除异常心律。除颤器释放能量准确度
直接影响抢救的成功率，是其关键技术参数。目前，国内计量检测机构均使用除颤
器分析仪来检测除颤器释放能量的准确度。但是，除颤器分析仪自身的计量校准，
目前还没有一套完善可靠的溯源方法。国内只有本课题组实验室能够根据出厂校准
的方法进行间接检测，而且校准时需要开机壳检测。该方法对不同厂家的除颤器分
析仪难以形成一个统一的计量标准，不能满足计量校准的基本要求。

1、对除颤脉冲波形、除颤负载电阻等进行了理论分析，对目前几种常用除颤
    脉冲能量计算方法的优缺点进行了比较，并根据辛普森数值积分算法原理
    得出来一种精度较高的除颤脉冲算法。
2、设计了基于STM32微处理器的除颤脉冲能量检测电路，并利用Keil
    uVision4开发平台设计了脉冲能量计算的软件算法以及控制程序，实现了
    精确测量除颤脉冲能量的功能。在分析了除颤能量源工作原理的基础上，
    提出放电模块的改进思路，并结合除颤脉冲能量检测模块实现了除颤能量
    标准源的功能。
3、通过试验完成了对除颤能量标准源的性能评价。对四台不同除颤器分析仪
    放电试验，以中国计量科学研究院的除颤脉冲能量测量系统为标准器，计
    算出除颤能量标准源的准确度以及误差的重复性，并根据方差分析的思想
    对误差来源进行了分析，最后得出除颤能量标准源可作为除颤器分析仪计
    量校准标准器具的结论。

    按照计量体系的要求，所有计量校准使用的标准器具都必须能按照检定系统表
的要求完成向上一级的溯源，以保证整个量传工作的准确可靠。国外，除颤器分析
仪生产厂家技术都比较成熟，其对于除颤器分析仪的计量校准都是依赖于各厂家自
己的出厂校准法。该方法需要打开机壳并不符合国内常规计量校准的基本要求，所
以国内除颤器分析仪的计量校准还未形成一套完整的溯源体系，只有本课题组实验
室能够按照各厂家提供的出厂校准方法，打开机壳根据仪器的设计原理对电路进行
分部件校准，如图。-2所示。该方法需要打开机壳，而且也因为不同厂家不同型号分
析仪电路原理的差异，使得该类设备的校准难以形成一个统一的标准。因此，在除
颤器注册检验和计量校准时，不同厂家的除颤器分析仪对同一台除颤器检测结果不
一致的情况时有发生，从而制约了该类设备注册检验和溯源校准的准确性和可靠性。

    综合上述文献可知，除颤器在现代急救系统中发挥着不可替代的作用，除颤器
的稳定性和释放能量的准确性成为了抢救能否成功的关键因素之一。目前，除颤器
溯源体系还不够完善，除颤器分析仪还不能按照规定的要求溯源到国家最高标准。
因此，研制一种溯源校准除颤器分析仪用的标准器具成为了完善除颤器溯源体系过
程中关键的一步。

    控制模块主要完成开机启动、自检自校准、充放电控制、能量检测控制以及数
据计算处理等功能，决定了整个装置的工作流程。除颤脉冲发生模块可释放一定能
量的除颤脉冲，该模块由充电模块、电容模组以及放电模块组成。脉冲能量检测模
块用于检测实际释放的脉冲能量值，作为能量标准值。

    充电模块采用除颤器生产领域广泛使用的单端反激式变压器充电，在所有充电
方案中反激式变压器组成的升压式充电回路具有电路简单、使用元器件少等优点，
从而决定了单端反激式充电方式的可靠性和高效性
    充电模块将电源模块提供的直流电利用单端反激励的方式给储能电容充电，该
模块可达到15s内充360J可放电的能力，并且具有过压和过流保护功能。充电回路
框图如图1-2所示。

    充电模块接收到充电命令后，脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)控
制芯片产生PWM波来驱动开关管Q工作。开关管导通时，功率变压器T原边开始
储能，储存一定时间后，开关管截止，变压器将原边存储的能量传送到副边，并导
通二极管D，开始给电容模块C充电，充电一段时间后，开关管再次导通，变压器
原边再次开始储能。开关管周期性导通、截止，直到充电结束，其导通、截止时间
由PWM占空比决定[is}
    充电模块控制主要包括开关管驱动波形控制、变压器原边电流饱和控制、储能
电容充电电流控制和储能电容电压过充控制。变压器原边电流过大时，开关管截止，
变压器原边停止储能，并将能量传到副边。储能电容充电电流过小时，充电效率低，
如果充电电流持续太小，将会使充电时间延长，此时开关管导通，变压器副边停止
给电容充电同时原边开始再次储能。储能电容电压过充控制部分主要检测储能电容
两端电压，当电压大于设定值时，开关管截止，充电结束。
    充电模块关键点是高频变压器的选择，要求该变压器效率高、漏感小、绝缘性
好。对于直流电源的选择，要求能够提供足够大的充电电流，以确保短时间内能给
变压器原边提供足够的能量。

    放电模块主要由高压绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,
IGBT)组成的H桥以及PWM驱动模块组成，该模块能够根据选择的除颤波形和设
置的能量值准确地控制放电开始和截止时间，放电回路框图如图1-3所示。

1.3脉冲能量检测模块
    除颤脉冲能量检测模块硬件包括STM32微处理器、脉冲电压电流采集电路、A/D
采样电路，软件包括系统初始化、采样数据处理以及脉冲能量计算等。
    除颤脉冲释放时由微处理器控制分压器和分流器实时采集脉冲电压电流值，并
通过脉冲电压电流值计算得到除颤脉冲能量值。该模块硬件和软件设计将在后面章
节详细介绍。