基于STM32的便攜式壓力測痛儀的設(shè)計(jì)

陳曉娟，霍曉良，張舒

東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林市，132012

基于STM32的便攜式壓力測痛儀的設(shè)計(jì)

【作 者】陳曉娟，霍曉良，張舒

東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林市，132012

針對現(xiàn)有疼痛檢測設(shè)備體積笨重，不便于攜帶的局限性，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的便攜式高精度壓力測痛儀。用高精度的壓力傳感器為主體的測壓觸頭拾取壓力痛信號。通過對放大電路和濾波電路等信號預(yù)處理，有效地濾除系統(tǒng)噪聲。TFT-LCD實(shí)時(shí)顯示被測的壓力值，有效建立被測對象的壓痛閾值。用USB接口將所得數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上存儲，便于后續(xù)醫(yī)生對疾病的診斷與治療。

測痛儀；壓痛閾值；便攜式；STM32

0 引言

疼痛是復(fù)雜的多維人體感覺體驗(yàn)，往往與疾病相關(guān)[1]。迄今為止，疼痛仍是醫(yī)學(xué)界無法解決的難題[2]。作為量化疼痛程度的方法之一，壓痛閾值（Pressurepain threshold，PPT）是指持續(xù)增加非痛的壓力刺激，直至人體達(dá)到疼痛感覺時(shí)的壓力值，是壓力下的最小疼痛值[3]，能夠很客觀真實(shí)地反映出被測對象的疼痛程度。目前，臨床上經(jīng)常采用具有無創(chuàng)、安全、以及具有較高可重測性等特點(diǎn)的壓力測痛儀來拾取疼痛閾值[4]。但是有相關(guān)研究指出，現(xiàn)階段部分測痛儀體積較大，攜帶不方便等問題[5]?？紤]到以上一系列問題，設(shè)計(jì)出一種基于STM32的壓力測痛儀，用以高精度的壓力傳感器為主體的測壓觸頭能夠精確檢測出疼痛的閾值。TFT-LCD液晶顯示器能夠?qū)崟r(shí)的顯示被測對象的壓力值。通過USB接口把相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存及其分析。制定出疼痛的各類疼痛指標(biāo)，為醫(yī)生對患者的病情了解提供可靠地依據(jù)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

壓力痛信號為微弱信號，采用高精度醫(yī)用壓力傳感器，經(jīng)一級放大電路、濾波電路、二級放大電路后，將最終的壓力信號送入STM32的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。TFT-LCD實(shí)時(shí)顯示被測對象的壓力值，電源電路為系統(tǒng)提供可靠的電源，SD卡用來完成數(shù)據(jù)的大容量存儲，并建立文件系統(tǒng)，通過USB接口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力對壓力值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 壓力測痛儀原理框圖Fig.1 Block diagram of pressure pain detector

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為三大部分：壓力信號的采集，主要完成對壓力信號的拾取；放大電路和濾波電路，用于處理采集到的壓力信號，使之能夠達(dá)到處理要求；STM32處理器完成對壓力信號的顯示、存儲、分析和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鳌?/p>

2.1 壓力信號的采集

壓力傳感器是壓力測痛儀系統(tǒng)的一次元件，因此壓力傳感器的精度將決定整個(gè)系統(tǒng)的精度。壓力測量采用型號為SCC15GD的霍尼韋爾壓力傳感器，該傳感器具有精度高、溫漂小、內(nèi)部溫度補(bǔ)償以及體積小等特點(diǎn)，適合在醫(yī)療領(lǐng)域?qū)μ弁吹臏y量，性能穩(wěn)定可靠。壓力信號采集電路主要包括放大電路、濾波電路兩部分。在本設(shè)計(jì)中，壓力傳感器采用1 mA恒流源供電。當(dāng)壓力值變化為0～14 psi(1 psi=6.89 kPa)時(shí)，壓力傳感器的輸出電壓范圍為(0～40) mV，而STM32的ADC輸入端的參考電壓為2.5 V，通過分析，電橋輸出的電壓值放大的倍數(shù)定位60倍。由于被測信號為強(qiáng)干擾下的微弱信號，需要采用兩級放大電路，第一級放大電路放大倍數(shù)不易過高，通過分析，10倍的效果比較理想。第一級放大電路后面連接低通濾波器，以濾除空間中存在的電磁噪聲和系統(tǒng)元件自身產(chǎn)生的噪聲等。第二級放大電路的放大倍數(shù)為6倍。具體電路如圖2所示。

圖2 壓力信號采集電路Fig.2 Pressure signal collection circuit

第一級放大電路直接與傳感器連接，因此第一級放大電路必須具備高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲以及低溫漂等特性，選擇用INA128作為一級放大器。INA128非常適合作為醫(yī)療儀器的前置放大器使用，該放大器的特點(diǎn)為差動(dòng)輸入、單端輸出。增益的大小由外接滑動(dòng)變阻器決定，其公式為：G=1+50k/Rg，使第一級放大電路增益為10倍。

低通濾波電路采用八階橢圓形開關(guān)電容濾波器MAX293實(shí)現(xiàn)。MAX293為切比雪夫型濾波器，非常適合應(yīng)用于數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，性能優(yōu)良，參數(shù)調(diào)整方便，可通過一個(gè)外接電容改變低通濾波器的截止頻率。第二級放大電路選用運(yùn)放TL082，所得電壓信號有STM32進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

2.2 電源管理模塊

電源電路是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，電源電路的好壞對整個(gè)系統(tǒng)的安全、正常、可靠運(yùn)行至關(guān)重要。整個(gè)系統(tǒng)采用9 V電池供電，微處理器STM32和TFT-LCD等芯片的工作電壓為3.3 V，而部分元件的工作電壓為5 V和-5 V，如INA128、MAX293等。系統(tǒng)中各元件的工作電壓存在差異，因此電源模塊必須能提供多種電壓，在本設(shè)計(jì)中，采用三個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)這些功能。首先用AMS1117-5.0芯片將9 V轉(zhuǎn)換成為5 V，再用另一個(gè)AMS1117-5.0芯片將9 V轉(zhuǎn)換為5 V，同時(shí)將這個(gè)電路輸出的5 V反接得到了-5 V電壓，用一個(gè)AMS1117-3.3芯片將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V，從而得到了供給系統(tǒng)工作的3種電壓。圖3與圖4為電壓轉(zhuǎn)換電路圖。

圖3 AMS1117-5.0電路圖Fig.3 Circuit diagram of AMS1117-5.0

圖4 AMS1117-3.3電路圖Fig.4 Circuit diagram of AMS1117-3.3

2.3 STM32處理器及主要接口

STM32使用高性能的ARM Cortex-M3 32 bit的RISC內(nèi)核，在構(gòu)架上進(jìn)行多項(xiàng)改進(jìn)，包括提升性能的同時(shí)又提高了代碼密度的Thumb-2指令集，大幅度提高中斷響應(yīng)，而且所有新功能都同時(shí)具有業(yè)界最優(yōu)的功耗水平[6]。STM32最高72 MHz工作頻率，128 kB的閃存程序存儲器、20KB的SRAM和豐富的I/O端口，包括12 bitD/A轉(zhuǎn)換器、3個(gè)USART、2個(gè)SPI、2個(gè)I2C、3個(gè)16 bit定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器，一個(gè)USB和一個(gè)CAN接口[7]。此處理器的高集成度大大簡化了外圍電路，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和擴(kuò)展性，降低了監(jiān)測系統(tǒng)的成本。

2.3.1 TFT-LCD液晶接口設(shè)計(jì)

選用TFT-LCD來實(shí)時(shí)顯示被測的壓力值，STM32的FSMC模塊用來控制液晶的顯示。FSMC即可變靜態(tài)存儲控制器，是STM32系列采用一種新型的存儲器擴(kuò)展技術(shù)。STM32的FSMC接口支持包括SRAM、NAND FLASH、NOR FLASH和PSRAM等存儲器[8]。其主要功能是將AHB傳輸信號轉(zhuǎn)換到適當(dāng)?shù)耐獠吭O(shè)備協(xié)議，滿足訪問外部設(shè)備的時(shí)序要求，以及時(shí)序可編程以支持各種不同的器件。STM32把液晶當(dāng)做外部存儲設(shè)備來使用，配置好讀寫及控制信號時(shí)序，只要指定指針就可以實(shí)現(xiàn)對液晶的讀寫訪問[9]。接口電路如圖5所示。

圖5 液晶接口電路圖Fig.5 Circuit diagram of LCD interface

2.3.2 USB數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，通過USB接口把采集的壓力數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)上，利用PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力對壓力值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。STM32片上集成了USB接口，在高速通信模式下通信速率高達(dá)12 Mbps,能夠?qū)⑺杉降膲毫π盘枖?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C機(jī)便于對數(shù)據(jù)的分析及其保存。也可讀取SD卡中所保存的數(shù)據(jù)。USB接口電路如圖6所示。

圖6 USB接頭電路圖Fig.6 Circuit diagram of the USB connector

3 軟件設(shè)計(jì)

程序采用 C 語言編寫，采用JTAG 對程序進(jìn)行調(diào)試，開發(fā)環(huán)境為 Keil uVision4。本設(shè)計(jì)中用 N/cm2來表示壓痛閾值的單位[10]。系統(tǒng)上電后，首先對STM32內(nèi)部進(jìn)行初始化，初始化完畢直接進(jìn)入采樣狀態(tài)，主要調(diào)用ADC轉(zhuǎn)化模塊將采集到的信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后傳給MCU，并由MCU進(jìn)行相應(yīng)的處理，由TFT液晶顯示器顯示其被測壓力值，采樣結(jié)束后，如果壓力傳感器沒有出入信號，則系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入掉電模式，等待下一次被喚醒。主程序流程圖及ADC中斷流程圖如圖7、圖8所示。

圖7 系統(tǒng)軟件主流程圖Fig.7 Main fowchart of system software

圖8 ADC中斷子流程圖Fig.8 Sub fowchart of ADC Interrupt

4 測試結(jié)果分析

將壓力傳感器連接的觸頭按壓在被測對象的皮膚上，當(dāng)患者感到疼痛時(shí)，通過系統(tǒng)功能按鍵將壓力數(shù)據(jù)鎖定在液晶顯示器上。此刻的壓力值即為被測對象的疼痛閾值。TFT-LCD可清晰、穩(wěn)定地顯示被測對象的實(shí)時(shí)壓力值，能夠滿足實(shí)際的醫(yī)學(xué)應(yīng)用需求，為今后疼痛疾病的治療提供可靠的依據(jù)。

5 小結(jié)

本文以STM32為控制核心，開發(fā)出一種高精度壓力測痛儀，該儀器為確定被測對象的疼痛閾值提供了準(zhǔn)確的依據(jù)，其性能良好，操作簡單，穩(wěn)定性好。豐富的內(nèi)部功能模塊，標(biāo)準(zhǔn)、先進(jìn)的通信接口以及TFT-LCD動(dòng)態(tài)顯示功能，使得整個(gè)檢測儀器具有體積小、低功耗的特點(diǎn)，滿足便捷式設(shè)備的基本特點(diǎn)，這種便攜式壓力測痛儀能夠精確檢測出疼痛的閾值。通過系統(tǒng)檢測及臨床數(shù)據(jù)分析，制定出各類疼痛指標(biāo)，為醫(yī)生對病情的判斷提供可靠的依據(jù)，使疼痛疾病的治療更系統(tǒng)化、客觀化。

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Design of Portable Pressure-pained-detector Based on STM32

【W(wǎng)riters】Chen Xiaojuan, Huo Xiaoliang, Zhang Shu
College of Information Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, 132012

etector, PPT, portable, STM32

TN710

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.05.006

1671-7104(2014)05-0333-04

2014-03-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61271115）

霍曉良，E-mail: 79275662@qq.com

【 Abstract 】In accordance with the bulky volume and not easy to carry of pain detection equipment limitations, designs a kind of portable high-precision dolorimeter based on STM32. Using the high precision pressure sensor pressure contact as the main body to make the pressure pain signals. Through the signal preprocess of the amplifying circuit and the flter circuit, to eliminate the system noise effectively. Use the TFT-LCD to display the real-time measured pressure value, and establish a pressure pain threshold of the object. The USB interface transmits the data to PC to store, and it’s benefcial to the diagnosis and treatment of subsequent.