呼吸机之基于肌电触发的呼吸机控制板开发

只看该作者 · 2018-10-12 12:35

整套系统按功能层次划分，可以分为以下三个部分:呼吸机面板、控制板、肌电采
集板。呼吸机面板的功能是实现人机界面交互以及数据通信接口，在该部分我们采用以
ARM为核心的架构，充分利用ARM强大处理能力和丰富外设资源;控制板的主要作
用是实现气路的控制部分，还包括呼吸机面板指令的响应以及肌电采集板传输过来的信
号的分析，这部分我们采用集成了强大浮点运算能力的ARM芯片STM32F407微处理
器，来实现电机和气阀的控制;采集板主要负责隔肌肌电信号的预处理和采集。

只看该作者 · 2018-10-12 12:36

2.2控制板的处理器选型
正如前面所提到的，控制板是整个呼吸机系统的核心协调枢纽，而MCU恰好又是
控制板的控制核心，它承担着数据处理、通信、控制阀门和电机等功能。众所周知，在
数据处理方面，浮点运算能力强劲的CPU有不可替代的优势，而在控制和通信方面，
ARM又有其独特的优势，因此，在MCU的选型方面，我们综合考虑到需要实现的功
能之后，偏向于选择带有强大浮点运算能力的ARM体系的MCU。同时，我们也需要
考虑到开发编程的难易程度，毕竟我们是自己定制了一个系统，所有的功能需要我们自
己编程实现，一个成熟的集成开发环境和其他人大量的使用心得，能使我们的努力事半
功倍。鉴于STM32F407丰富的外设、强劲的性能、并且在工业控制领域广泛的运用，
我们选择其为呼吸机控制板的MCU o

只看该作者 · 2018-10-12 12:36

2.2.1 ARM相关资料
ARM架构，又称作高级精简指令集机器(Advanced RISC Machine，是一个32位
精简指令集(RISC)处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特
点，ARM处理器非常适用于移动通信领域，满足其低成本、高性能、低耗电的要求。
ARM架构处理器占了市面上所有32位嵌入式RISC处理器90%的比例，使它成为占全
世界最多数的32位架构之一。鉴于其高性能低功耗的特点，ARM处理器可以在很多消
费性电子产品上看到，如可携式设备(PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游
戏，和计算机)、电脑外设(硬盘、桌面型路由器)，甚至在军用设施中都有它的存在。
ARM架构从第一个版本ARMvI开始就一直在不断升级更新，以适应不同时代，不
同领域对处理器的要求。为更好的为不同的市场提供差异化服务，到ARMv7之后，ARM
公司把经典处理器ARM 11之后的产品采用Cortex命名:
Cortex-A(Appfication)系列:应用程序配置文件，它在MMU(内存管理单元)、用
于多媒体应用程序的可选NEON处理单元以及支持半精度、单精度和双精度运算的高
级硬件浮点单元的基础上实现了虚拟内存系统架构。它适用于高端消费电子设备、网络
设备、移动Internet设备和企业市场。
Cortex-R(Real-time)系列:实时配置文件，它在MPU(内存保护单元)的基础上实
现了受保护内存系统架构。它适用于高性能实时控制系统。
Cortex-M(Microcontroller)系列:微控制器配置文件，可快速进行中断处理，适用于
需要高度确定的行为和最少门数的成本敏感型设备。
虽然基于ARM架构的众多处理器有着不同的版本，但是由于所有架构变体都具有
通用的指令集(ARM
容性的软件，
通用工具链，
ARM
指令和Thumb指令)，因此用户可通过ARM架构构建具有最佳兼
架构受到所有领先的软件工具供应商的支持，允许跨多个项目使用
甚至允许交叉使用由这些工具链生成的代码。
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只看该作者 · 2018-10-12 12:37

以下部分省去介绍STM32F407 的内容66666

只看该作者 · 2018-10-12 12:37

2.4控制板的传感器选型
在呼吸机中，我们不但需要实时监测与病人呼吸道连接的气管里面的气压和气体流
量，而且我们也需要实时的知道呼吸机内部气管里面的气压和气体流量，所以我们需要
在控制板上放置气压和流量传感器，并不断对传感器的数据进行取样分析，实时调整呼
吸机的工作模式，以满足病人的呼吸需要。在气体传感器方面，我们选择霍尼韦尔出品
的SCXL004DN, AWM2100V、SSCDANN150PAAA3、SSCMNNNOISPAAA3。
2.4.1 SCXL004DN相关资料
SCXL004DN是一款具有精确补偿功能的低压传感器，在要求高精度的低压操作压
力范围中，它能为提供一个经济有效的解决方案。
作为一款带有内部校准和温度补偿的传感器，它能在0-_50摄氏度的温度范围内保持
精确稳定的输出。
SCXL004DN传感器主要用于无腐蚀、无离子的工作环境，比如空气和干燥气体。
它能在低于++18V的任何直流电源供电的情况下正常工作，输出与供电电压成比例。

只看该作者 · 2018-10-12 12:38

干货满满！

只看该作者 · 2018-10-12 12:38

2.4.2 AWM2100V相关资料
AWM2100V是一款精确的气体质量流量传感器，它具有双向感应、实际质量流量感
应和低压差感应等特性，它只能用于干燥的气体条件中。
它的供电电压推荐值为++10V，但是可以再+8V到++1_5V之间正常工作;整个传感器
的功率消耗最大为_SOmW，一般为30mW左右;工作温度在一2_5摄氏度到8_5摄氏度之间。
值得注意的是，他的输出电压和输入电压成一定比例。
AWM2100V最大的流量量程为一200立方厘米每分钟到+ 200立方厘米每分钟之间，
在量程范围内，气体流量每变化100立方厘米每分钟，就会有30mV的输出电压变化。

只看该作者 · 2018-10-12 12:39

只看该作者 · 2018-10-12 12:39

只看该作者 · 2018-10-12 12:39

USART模块用于呼吸机面板和控制板之间的指令通信，面板上的控制指令通过
USART传递给控制板以供其处理，以免占用控制板与呼吸机面板之间的实时数据通信;
SPI模块用于控制板与呼吸机面板之间、肌电信号采集板与控制板之间的即时数据
通信，这两个设备间的数据通信要求可靠性非常高，并且要带有校验检错重传等功能;
POWER模块用于给整个控制板提供安全稳定可靠的电源;
AI模块用来检测呼吸管道中气体的压力和流量以及外界大气压的气压;
VALUE模块用于控制进气阀门和排气阀门的工作;
MOTOR模块用于控制压缩电机的工作;
MCU模块是整个控制板的控制核心，负责计算处理各种呼吸相关数据、协调控制
各功能模块的正常工作、记录各种参数设定等。

只看该作者 · 2018-10-12 12:40

电源部分省掉……

只看该作者 · 2018-10-12 12:40

这部分可以参考！

只看该作者 · 2018-10-12 12:41

如图3-6-2所示为MOTOR驱动电路，其中我们可以看到MOTOR的供电直接取自
+24V电压，放大器LM3_58D的电源也是单独由+24V经过KA78L12转变成+12V供电，
没有与其他电子电路共用++12V电源。
电路分析:从电路图可以看出，STM32F407通过DA转换后得到电机调速模拟电压
供给电机，电机也反馈回STM32F407转速信号，从而实现电机转速控制的闭环反馈控
制，闭环控制是可控的必要条件。

只看该作者 · 2018-10-12 12:42

如图3-6-2所示为MOTOR驱动电路，其中我们可以看到MOTOR的供电直接取自
+24V电压，放大器LM3_58D的电源也是单独由+24V经过KA78L12转变成+12V供电，
没有与其他电子电路共用++12V电源。
电路分析:从电路图可以看出，STM32F407通过DA转换后得到电机调速模拟电压
供给电机，电机也反馈回STM32F407转速信号，从而实现电机转速控制的闭环反馈控
制，闭环控制是可控的必要条件。

只看该作者 · 2018-10-12 12:42

只看该作者 · 2018-10-12 12:42

只看该作者 · 2018-10-12 12:43

3.8.1 AI电路的作用和注意事项
AI主要用来测量气管内部的气体压力和气体流量，还有外界大气压，为呼吸机多工
作模式获取重要的气体信息。我们采用的气体压力传感器和气体流量传感器都是霍尼韦
尔公司出品的，它们的输出方式均为模拟输出，所以我们必须要通过STM32F407单片
机的AD转换模块将其转换成单片机计算单元能识别并处理的数字信号。采集模拟信号
最大的技术难题在抗干扰，设计的不合理和布局，布线的不合理都有可能导致干扰正常
的数据。
3.8.2 AI电路的设计与验证
如图3-8-2所示为AI驱动电路，其中我们可以看到AI模拟部分的地是单独的模拟
地，与数字地之间通过一个电感相连，防止数字地上的干扰传入到模拟地，引起数据的
不准确。这样就可以有效的改善抗干扰性能。

只看该作者 · 2018-10-12 12:43

只看该作者 · 2018-10-12 12:44

只看该作者 · 2018-10-12 12:44