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 12:46

本章完成了三个阶段的任务:
第一阶段:设计电路。这个阶段是最需要花费时间的，电路结构的选择与验证、电
子元器件的选择、元器件参数的计算、电路整体效果的仿真等各个阶段都需要花费大量
的时间。最后通过查阅各种资料、借鉴各种成熟的已有电路、请教专家老师、和同学探
讨交流，终于设计出了满足设计要求的电路方案。
第二阶段:制作并焊接电路板。用AD软件画出PCB板是一个需要耐心与细心的
工作，由于涉及的电路元器件比较多，所以在元器件布局的过程中采用了分模块布局的
方式，逐步完成各个模块的布局和，最后以整体的视角做出部分微调。布局完成之后紧
接着是布线，布线不是机械的连线，需要充分考虑电磁干扰和走线的最优化，在设置好
各种走线规则之后，首先采用软件自动布线功能试走一遍，再对不合理的线进行微调，
最终达到比较理想的效果，在整个布局和布线的过程中，无数次细致的检查时必须的，
否则简单的错误也将导致前功尽弃。细心和耐心在焊接电路板的过程中也是必不可少的，
由于电路板体积的限制，采用的元器件都是贴片封装，焊盘多且小，稍不留神把焊盘弄
坏了就需要投入大量的时间进行维修，就算修好了也不美观，最大的困难时144引脚的
贴片STM32F407芯片的焊接，对焊接技术的要求是非常高的，焊多了可能导致引脚间
短路，焊接少了又可能导致虚焊。
第三阶段:调试电路板。调试阶段对调试者的经验要求非常高，否则无从下手，在
控制板调试过程中，也遇到了一些问题，发现传感器电源输入端没有电压，后来才发现
是设计电路的时候，电路图上的一个标号标错了，到时本应该给传感器供电的电源与传
感器之间没有电气连接，通过检查电路图，辅助以万用表对各个节点之间的电压检测，
最终顺利找到了问题所在并做了合理改正。在其他部分的调试过程中，采用了李向阳教
授的建议，先焊接好各个模块的电源部分，再上电之后用万用表检测各个电源节点的电
压是否正常，保证电压正常之后再进行其他芯片的焊接，这样很好的保证了电路的安全
性，防止芯片或其他对电压敏感的元器件因电压不正常而损坏。

只看该作者 · 2018-10-12 12:47

在控制板的软件开发方面，我们用到了STM32F4x系列自带的固件库，以此降低软
件开发的难度以及缩短程序开发周期，在控制板的软件编程过程中，有以下程序是我们
必须要实现的:进气阀和排气阀的处理程序;电机的控制程序;AI电路部分的外部大
气压和呼吸气管内气压以及流量的检测程序;由肌电采集板传输给控制板的隔肌肌电信
号数据和由控制板传输给呼吸机面板的呼吸参数数据的处理程序;由呼吸机面板传输给
控制板的按键状态处理程序;提示用的LED指示灯的处理程序等。
在程序的处理优先级方面，考虑到呼吸机必须实时监测病人气道中的气体信息和环
境气体信息并且及时调整气阀和电机的工作以更好地适应病人的生理状况，所以把气体
信息的采样和气阀、电机的控制放在处理的最高优先级;考虑到SPI和USART等数据
传输可能占用太多的CPU时间而影响系统的实时性，所以在程序设计的过程中采用了
STM32F407单片机的DMA功能，它可以不经过CPU的干预直接实现寄存器到内存地
址之间的数据传输，并且传输的数据是存放在缓冲区中，完全可以等待读取，所以把
USART和SPI数据读取的处理优先级排在采样和动作控制之后;最后是一般任务的轮
流处理了，比如LED控制、数据运算等，这些处理和运算在高达百兆的处理器速度下
是很容易快速完成的。具体的程序处理优先级框架如图4-1-1所示:

只看该作者 · 2018-10-12 12:49

1万 · 2018-10-12 12:49

楼主又来干货啦

只看该作者 · 2018-10-12 12:49

只看该作者 · 2018-10-12 12:50

第一步、在给控制板上电前用万用表对整个控制板的供电入口和各个功能模块电路
的供电入口进行短路测试，防止由于设计或焊接不当导致的电路短路，从而可以最大程
度上避免电路板和元器件的安全，得益于仔细的布线和细心的焊接，没有检测到短路现
象;
第二步、在用万用表确认电路板的供电入口没有短路的情况下，调节数字直流稳压
电源的电压值为+24V，并且限制电流在300mA内，这样做的好处是防止由于控制板电
路的问题导致数字直流电源的输出功率过高而烧坏控制板，限制好功率之后进行几次快
速上电掉电试验，看控制板的电流是否异常，同时观察控制板是否异常，在这个过程中
也没有遇到异常情况的发生;
第三步、给控制板接上+24V直流电源之后可以尝试用手(若条件允许的话可以采用
红外面测温仪器)快速试探各芯片的温度，确保没有芯片由于引脚焊接方向不正确或者
芯片在运输或焊接过程中而损坏引发的发烫，经过实践证明也没有发烫的现象发生，此
时基本可以确定控制板电路没有严重的安全问题，可以进行长时间供电并进入下一步配
合程序进行各个功能模块的调试。控制板正常供电运行时的实际效果如图_5-2所示，可
以看出电源模块工作指示灯亮起，表明POWER模块电路部分工作正常。

只看该作者 · 2018-10-12 12:50

只看该作者 · 2018-10-12 12:50

硬件调试的完成表明控制板各硬件部分基本不存在明显的问题和隐患了，接下来就
需要配合程序进行控制板上各个功能模块的功能调试。我们举在控制板中非常重要的气
阀控制模块的功能调试为例，因为能否控制好进气阀和排气阀的开合程度将很大程度上
决定呼吸机性能，气阀的开合程度都是通过MCU输出PWM到VALUE模块而实现的，
图_5-6,图_5-8,图_5-9所示为STM32F407单片机输出PWM矩形波之后在气阀控制端
测得的10 070 , 40%和80%占空比的波形结果，可看出气阀的PWM控制能达到非常理想
的效果。

只看该作者 · 2018-10-12 12:51

只看该作者 · 2018-10-12 12:51

呼吸机作为口常生活中和临床上用来代替、控制或改变人的正常生理呼吸的辅助性
呼吸医疗器械，它对于使用者的影响主要体现在改善其呼吸能力，以此减少其呼吸消耗，
达到降低心脏负荷的效果。呼吸机在医疗领域和健康保养方面有着非常重要的作用，鉴
于呼吸机关乎人类的生命安全，所以所设计的呼吸机必须具备高可靠稳定性，本论文中
控制板的设计采用了数据处理能力强劲并且执行速度非常高的STM32F4x系列微处理
器，在硬件方面尽最大可能满足了呼吸机各个功能模块对硬件的要求，比如隔肌肌电信
号的分析与处理对MCU的数据运算能力要求非常高，电机和气阀的控制对实时性的要
求非常严格，呼吸机面板对实时的生理指标和呼吸相关参数显示和友好的人机交互界面
要求很高，同时作为量产的呼吸机产品，呼吸机的价格也是我们应该考虑到，所以我们
选择性价比较高的STM32F407微处理器作为呼吸机控制板的核心控制芯片，鉴于对人
机交互界面有着较高的要求，所以在呼吸机面板的设计中，高分辨率高响应速度的带触
摸功能的液晶显示屏是我们所必须配备的。
在接下来的呼吸机后继研发工作中，除了继续完善和优化控制板的各项功能指标之
外，还需实现友好的人机交互界面、通信接口和数据管理机制这几个功能。
在人机交互界面的设计中，考虑到要在有限的显示空间中显示出符合操作者常用习
惯并且能实时显示病患实时生理状况的信息，所以在显示屏上必须进行内容的合理布局，
以时间轴的形式显示病人的各种生理指标和系统变量曲线;
在通信接口的设计中，由于本呼吸机由信号采集板、控制板和控制面板三部分组成，
信号采集板和控制板之间，控制面板和控制板之间、控制板和外界其他设备之间都需要
实现数据的通信，这些通信都是通过SPI接口或USART接口实现的，甚至还需要提供
额外的Internet和USB方面的通信，为以后呼吸机与周边其他医疗设备互联甚至实现远
程实时监控和诊断提供了很好的通信扩展接口。
在数据管理机制的设计中，通过建立健全的数据库，不仅要对病人的各种生理指标
和呼吸机的状态进行实时存储在一个数据库中以供口后查阅，还需要设置比对机制，对
于侦测到病人生理指标异常的情况下报警以及时告知医务人员，并且还可以通过分析其
他病人的呼吸数据给医务人员提供指导性建议，数据库还需要能通过Internet接口连接
到网络上，以供远程的已授权的医务人员进行远程监护与诊断。