人體表面溫度控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法

譚寶昌，張 震，楊連發(fā)，覃佳能，陳隆鴻

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

在醫(yī)療手術(shù)及康復(fù)過程中，患者常常會(huì)因?yàn)楹诵臏囟冉档投霈F(xiàn)低體溫的現(xiàn)象，此現(xiàn)象對(duì)手術(shù)及術(shù)后康復(fù)極為不利，會(huì)直接影響手術(shù)成敗及術(shù)后恢復(fù)的效果[1]。因此，使用輔助保溫裝置，對(duì)手術(shù)及術(shù)后康復(fù)過程中的人體表面溫度（簡稱體表溫度）進(jìn)行控制，已成為最常用的保溫措施之一。

在人體表面溫度控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法上，人們開展了一些研究。例如廣西大學(xué)的韋文代提出了基于九點(diǎn)控制器算法的溫度控制系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)的軟件是基于C8051單片機(jī)的SmallRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的；桂林電子科技大學(xué)的張苗苗提出的基于單片機(jī)的PID算法等[3]。由于人體表面溫度的控制具有實(shí)時(shí)性、交互性等特點(diǎn)，需要實(shí)現(xiàn)智能控制，采用一般的軟件實(shí)現(xiàn)方法，已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)的要求。

Linux嵌入式操作系統(tǒng)，是一款成熟而穩(wěn)定的操作系統(tǒng)，可以在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多種軟件控制與開發(fā)，并能對(duì)多種硬件結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行移植，制定特定的軟件實(shí)現(xiàn)方案；具有容易修改和系統(tǒng)優(yōu)化、支持網(wǎng)絡(luò)、適合多種CPU等特點(diǎn)。本文闡述采用ARM9 Linux實(shí)現(xiàn)人體表面溫度控制系統(tǒng)的軟件方法。

1 系統(tǒng)控制原理

本系統(tǒng)是以ARM9 Linux嵌入式操作系統(tǒng)，作為軟件控制平臺(tái)，以人體體表溫度為控制源，以氣體的溫度和流量為控制量，結(jié)合人體熱調(diào)節(jié)理論，共同完成對(duì)體表溫度的控制[4]。

該軟件系統(tǒng)主要包括：多點(diǎn)控制源的溫度采樣與控制、液晶顯示、故障檢測及報(bào)警、氣體溫度采樣、氣體溫度控制和氣體流量控制等模塊，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，多點(diǎn)溫度采集的是身體各部位的體表溫度，采集后將這些數(shù)據(jù)通過控制平臺(tái)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器內(nèi)；顯示模塊用于顯示采集到的體表溫度、氣體溫度和實(shí)時(shí)核心溫度，并根據(jù)采集到的溫度信號(hào)繪制其隨時(shí)間的變化曲線；控制模塊主要包括電源開關(guān)、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)選擇、數(shù)據(jù)輸入等；故障檢測及報(bào)警模塊在系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，進(jìn)行軟硬件復(fù)位檢測，同時(shí)記錄系統(tǒng)運(yùn)行過程中相對(duì)應(yīng)的狀態(tài)值，并對(duì)其進(jìn)行分析，若其為故障數(shù)值，則進(jìn)行報(bào)警；氣體溫度控制和氣流控制模塊，是由Linux嵌入式核心平臺(tái)直接控制，由增量式PID控制算法所得到的控制量決定，控制量由采集的體表溫度和控制源的核心溫度決定。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 軟件實(shí)現(xiàn)

本軟件系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)人體核心溫度的實(shí)時(shí)性和智能化控制，但由于以往的軟件系統(tǒng)的不確定性和滯后性，不能滿足大存儲(chǔ)、高精度、在線升級(jí)等智能化要求。然而，Linux是一款成熟而穩(wěn)定的操作系統(tǒng)，其源代碼是完全對(duì)外開放的，可以根據(jù)用戶需求量身定制系統(tǒng)，尤其在本軟件系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)性和智能化控制要求。

2.1 操作系統(tǒng)移植

Linux內(nèi)核版本更新速度非?？?，本系統(tǒng)采用比較新的Linux2.6.28版本。在移植系統(tǒng)前，要先將Bootloader啟動(dòng)程序固化在NOR Flash上，再用DNW軟件下載硬件測試程序，測試整個(gè)系統(tǒng)的硬件，確保硬件系統(tǒng)的正常。系統(tǒng)移植主要包括移植引導(dǎo)程序、編譯內(nèi)核和構(gòu)建根文件系統(tǒng)共3個(gè)部分[5]。引導(dǎo)程序在系統(tǒng)上電的時(shí)候開始執(zhí)行，初始化硬件設(shè)備，然后調(diào)用Linux系統(tǒng)內(nèi)核。

系統(tǒng)移植主要分為以下步驟進(jìn)行：

（1）在 PC機(jī)上安裝 gcc、binutils、glibc和 vivi等軟件以及ARM內(nèi)核相應(yīng)的BSP；

（2）按照系統(tǒng)開發(fā)的需要添加相應(yīng)的接口驅(qū)動(dòng)程序；

（3）通過編譯得到相應(yīng)的Linux系統(tǒng)映像文件；

（4）下載Linux系統(tǒng)映像到ARM控制系統(tǒng)的NAND Flash中；

（5）固化系統(tǒng)的bootloader。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過人體表面溫度，來間接實(shí)現(xiàn)人體核心溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，其應(yīng)該具備以下功能：友好的可視化操作界面、精確的溫度檢測和控制、多方位的智能化控制等。本文結(jié)合Linux嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出比較智能的硬件結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能：人體各部位溫度的實(shí)時(shí)顯示、氣體溫度顯示、核心溫度顯示，通過鍵盤或者觸摸屏設(shè)置核心參考溫度、系統(tǒng)的開始和結(jié)束。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)框圖

軟件系統(tǒng)的主要任務(wù)是：溫度信號(hào)采樣、鍵盤讀取、觸摸式LCD顯示、PID控制算法實(shí)現(xiàn)、氣體溫度控制等，軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示[2]。

溫度信號(hào)采樣，主要結(jié)合濾波法和均值法采樣人體表面溫度和氣體溫度；

鍵盤讀取，通過行列掃描法對(duì)外接的鍵盤進(jìn)行掃描；

觸摸式LCD顯示，是結(jié)合四線電阻式觸摸板和LCD圖形顯示，并能將觸摸位置與圖像位置形結(jié)合，共同實(shí)現(xiàn)觸摸式顯示；

PID控制算法實(shí)現(xiàn)，是將采集到的溫度信號(hào)送入增量式PID控制器，經(jīng)過運(yùn)算得出控制量；

氣體溫度控制，由增量式PID得出的控制量間接控制電熱絲的通斷時(shí)間，達(dá)到控制氣體的目的。

系統(tǒng)各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)從高到底的順序?yàn)椋簻囟刃盘?hào)采樣、增量式PID算法實(shí)現(xiàn)、鍵盤掃描和觸摸屏掃描、控制氣溫、液晶顯示。各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)順序不能調(diào)換，系統(tǒng)嚴(yán)格按照各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)執(zhí)行各任務(wù)。

3 系統(tǒng)任務(wù)的設(shè)計(jì)

3.1 溫度采樣的軟件實(shí)現(xiàn)方法

溫度信號(hào)的采樣，是通過ARM9 S3C2440A處理器自帶的A/D模塊來實(shí)現(xiàn)的，ARM9本身集成一個(gè)10位COMS逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，ARM9 S3C2440A處理器最高工作頻率可達(dá)400MHz，保證了其模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。在該控制系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確地采集溫度，采用采集10次/s溫度信號(hào)的方法。在數(shù)據(jù)處理方面，結(jié)合中值濾波法和平均濾波法，通過對(duì)10次數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，去掉最大值和最小值，然后對(duì)剩下的值取平均值，便可得到當(dāng)前實(shí)際溫度值[2]，然后，將其送往LCD控制器進(jìn)行顯示。溫度信號(hào)采樣流程圖如圖3所示。

溫度信號(hào)采樣，在整個(gè)系統(tǒng)中非常重要，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作、能否精確控制人體核心溫度。所以將溫度信號(hào)采樣這個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，設(shè)為最高級(jí)，即采集溫度信號(hào)后，才執(zhí)行系統(tǒng)的其他任務(wù)。溫度信號(hào)采樣完畢后，將采集的溫度以消息隊(duì)列的形式，存儲(chǔ)起來，并與其他任務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3.2 PID控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)方法

PID控制算法的實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，本系統(tǒng)采用單獨(dú)的任務(wù)進(jìn)行控制。要快速地穩(wěn)定人體的核心溫度，除了保證硬件的控制精度外，更多的是選用一種比較好的控制算法。PID控制算法是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的控制算法[6]。在本系統(tǒng)中，采用增量式PID算法。首先將傳感器采集的溫度數(shù)值，與設(shè)定的核心溫度數(shù)值進(jìn)行比較，把比較得到的差值信號(hào)，經(jīng)過一定的規(guī)律計(jì)算后，得到相應(yīng)的控制值，并將其送往PID控制器，控制氣體溫度和流量，進(jìn)而借助恒溫氣體與人體表面進(jìn)行的熱能交換，來間接達(dá)到穩(wěn)定人體核心溫度的目的。增量式PID的算法如下[7]：

式中，

Kp為比例系數(shù)；

T為采樣周期；

e(n)，e(n-1)，e(n-12)分別為當(dāng)前時(shí)刻、前一時(shí)刻、再前一時(shí)刻的實(shí)時(shí)采樣溫度值與設(shè)定核心溫度值的差值；

Ti為積分時(shí)間常數(shù)；

Td為微分時(shí)間常數(shù)。

增量式PID的優(yōu)點(diǎn)，在于只要保持前3個(gè)時(shí)刻的差值，輸出控制量的初始設(shè)定值不必很準(zhǔn)確，便可以很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

增量式PID算法流程圖圖4所示。增量式PID控制算法較為簡單，能用簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算算出氣體溫度的增量控制量。因?yàn)镻ID控制算法是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分，由其得出的控制量，間接影響到氣體溫度，關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的控制精度，所以將其優(yōu)先級(jí)設(shè)定為次高級(jí)，僅次于溫度信號(hào)采樣。

圖3 溫度信號(hào)采樣流程圖

圖4 增量式PID算法流程圖

3.3 控制氣體溫度的軟件實(shí)現(xiàn)方法

控制氣體溫度，是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部分，為了達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的，將控制氣體溫度任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，設(shè)定在溫度信號(hào)采樣、觸摸屏讀取和鍵盤掃描任務(wù)之后。首先采集溫度信號(hào)，然后通過ARM控制單元的PID控制器得到氣體溫度的控制量，將控制量送入ARM自帶的PWM計(jì)數(shù)器中，從而得到相應(yīng)的占空比，然后控制晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，進(jìn)而改變電加熱絲的功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體溫度的控制。其控制流程圖如圖5所示。

由于氣體具有流動(dòng)性，對(duì)氣體溫度信號(hào)的采集和對(duì)電熱絲的控制，顯得尤為重要。ARM9 S3C2440A處理器自帶的A/D是10位的，保證了氣溫信號(hào)采樣的精度；在采樣后的數(shù)據(jù)處理方面，結(jié)合了中值濾波法和平均濾波法，保證了采樣氣溫信號(hào)的準(zhǔn)確性；采樣的氣溫信號(hào)，經(jīng)過PID控制器的處理，能快速調(diào)整PWM占空比，間接控制電熱絲的加熱，使控制的氣溫快速趨于穩(wěn)定。

3.4 液晶顯示及觸摸屏的軟件實(shí)現(xiàn)方法

本系統(tǒng)選用的是帶觸摸屏的TFT真彩LCD作為顯示部件。在Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出友好的顯示界面、溫度曲線繪制界面、控制界面或控制按鈕。

Linux嵌入式操作系統(tǒng)控制平臺(tái)集成了LCD控制器。LCD控制器的主要功能用于傳輸、顯示數(shù)據(jù)和產(chǎn)生控制信號(hào)。系統(tǒng)每次在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，都往LCD控制器發(fā)生顯示所需的數(shù)據(jù)和命令。液晶在系統(tǒng)的每個(gè)運(yùn)行周期都對(duì)液晶進(jìn)行刷新，通過對(duì)觸摸屏的掃描，來顯示參數(shù)或者改變顯示的畫面。

觸摸屏的設(shè)計(jì)，是該系統(tǒng)人機(jī)交互的重要環(huán)節(jié)。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，根據(jù)用戶需要，可以通過觸摸屏設(shè)置控制溫度。ARM采用中斷方式，對(duì)觸摸屏的坐標(biāo)進(jìn)行讀取。當(dāng)觸摸屏有外力作用時(shí)，CPU產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)便進(jìn)入坐標(biāo)讀取任務(wù)。觸摸屏坐標(biāo)讀取的流程圖如圖6所示[8]。為了保證讀取坐標(biāo)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)每獲取一次坐標(biāo)的過程中，實(shí)際上分別對(duì)X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)進(jìn)行10次讀取，然后結(jié)合中值濾波法和平均濾波法，通過對(duì)讀取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，去掉最大值和最小值，剩下的數(shù)據(jù)取其平均值，便得到當(dāng)前實(shí)際的坐標(biāo)值。

圖5 氣溫控制流程圖

圖6 觸摸屏坐標(biāo)讀取流程

4 結(jié)束語

本文在ARM Linux嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究了人體表面溫度控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。該方法不僅能保證人體表面溫度的實(shí)時(shí)控制，而且方便維護(hù)和升級(jí)，具有一定的實(shí)用意義，特別是在手術(shù)及術(shù)后康復(fù)過程中，通過調(diào)節(jié)吹拂到人體表面氣體的溫度及流速，達(dá)到穩(wěn)定人體核心溫度的目的。

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