基于STM32除顫脈沖能量測量系統(tǒng)的研究

張亞冬，李巖峰，賈建革，武文君，邵海明

基于STM32除顫脈沖能量測量系統(tǒng)的研究

張亞冬，李巖峰，賈建革，武文君，邵海明

目的：研究基于STM32的除顫能量測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能精確測量除顫脈沖能量且不受負(fù)載電阻精度影響。方法：電壓電流檢測電路和前端信號調(diào)理電路將除顫脈沖電壓和電流分別轉(zhuǎn)換為不超過±2.5 V的電壓信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送至微處理器STM32中計算處理并通過液晶顯示結(jié)果。結(jié)果：該系統(tǒng)能量測試結(jié)果與常規(guī)除顫器分析儀基本一致。結(jié)論：研制的除顫脈沖能量測試系統(tǒng)能準(zhǔn)確測量除顫能量且不受負(fù)載電阻精度和分布電感、電容的影響，為除顫能量計量溯源提供了更好的平臺。

除顫；脈沖能量；能量測試；STM32

0 引言

除顫器是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中不可或缺的急救設(shè)備之一，它通過向患者心臟部位釋放較強且能量可控的脈沖電流，從而消除心律失常、恢復(fù)竇性心律[1]。除顫器釋放能量準(zhǔn)確度直接影響搶救成功率，能量過小不能達(dá)到除顫效果，能量過大會對患者心肌細(xì)胞造成不可恢復(fù)的損傷。因此，釋放能量準(zhǔn)確度成為除顫器計量校準(zhǔn)的一個重要參數(shù)。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要由微處理器（microcontrolunit，MCU）、模數(shù)轉(zhuǎn)換（analog to digital，A/D）、電壓電流檢測、前端信號調(diào)理、電源、液晶顯示、隔離電路和保護(hù)電路模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 能量測試系統(tǒng)框圖

對50 Ω人體模擬電阻釋放除顫脈沖時，電壓電流檢測模塊同時檢測脈沖電壓和電流，并由信號調(diào)理模塊調(diào)理為最大值約為±2.5 V的電壓信號，再經(jīng)保護(hù)電路送入A/D轉(zhuǎn)換模塊。微處理器STM32為系統(tǒng)核心，控制A/D轉(zhuǎn)換、液晶顯示。系統(tǒng)檢測到除顫脈沖后進(jìn)入中斷處理程序，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲和計算，并通過液晶顯示能量計算結(jié)果。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要包括電壓電流檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、STM32外圍電路以及隔離保護(hù)電路等。

2.1 電壓電流檢測電路

電壓電流檢測電路利用分壓電阻和電流檢測電阻將高達(dá)數(shù)千伏的電壓和數(shù)十安培的電流轉(zhuǎn)換為A/D芯片能夠精確采樣的電壓信號。電壓電流檢測電路由1%精度無感電阻設(shè)計而成（如圖2所示）。

圖2 電壓電流檢測電路

電壓檢測電路分壓比為

為盡量減小電流檢測電阻對除顫脈沖信號的影響，本系統(tǒng)電流檢測電路由4個10 MΩ電阻并聯(lián)而成。電流檢測電路阻值計算公式為

除顫器釋放脈沖電壓最大值可達(dá)5 kV，除顫分析儀中人體模擬電阻一般選50 Ω[4]，所以除顫脈沖電流最大約為100 A，電流檢測電路轉(zhuǎn)換后電壓信號最大為0.25 V。為提高A/D轉(zhuǎn)換精確度，應(yīng)使輸入端電壓信號盡量滿量程，所以電流檢測電路輸出的電壓信號還需經(jīng)過信號調(diào)理電路放大處理。信號調(diào)理模塊由低噪聲、精密且高速的運算放大器OP37組成。OP37運放轉(zhuǎn)換率高達(dá)17 V/μs，增益帶寬高達(dá)63 MHz。信號調(diào)理電路放大倍數(shù)為

2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

電壓電流檢測電路將除顫脈沖電壓電流分別轉(zhuǎn)換為不大于±2.5 V的電壓信號，經(jīng)A/D采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送至微處理器STM32中計算處理。系統(tǒng)主控制芯片STM32具有很強的運算能力和豐富的A/D轉(zhuǎn)換通道，但考慮到除顫脈沖瞬時性且要采集大量數(shù)據(jù)用以分析計算，所以A/D轉(zhuǎn)換模塊選取16位8通道專用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8345，其轉(zhuǎn)換速率高達(dá)100 kHz。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與微處理器連接如圖3所示。

A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓要求非常穩(wěn)定[5]，該模塊轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓由專用穩(wěn)壓電路提供2.5 V參考電壓。A/D芯片供電電壓為5 V，通道A0和A1分別為除顫脈沖電壓和電流信號輸入通道。

A/D轉(zhuǎn)換時首先由主控制芯片STM32提供時鐘、片選信號以及通道初始化信息，再按照設(shè)置的采樣頻率將模擬電壓信號采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳送至STM32計算處理。

2.3 STM32外圍電路

STM32單片機為系統(tǒng)主控制芯片，該系列單片機是基于Cortex-M3內(nèi)核，融合ARM和ST技術(shù)設(shè)計而成的微處理器。其時鐘頻率最高達(dá)72MHz，具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點，是嵌入式應(yīng)用設(shè)計中良好的選擇[6-7]。STM32外圍電路如圖4所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路

圖4STM32外圍電路

STM32采用3.3 V電源供電，每個電源引腳與地之間都連接一個濾波鉭電容和去耦陶瓷電容以確保單片機供電電源穩(wěn)定。芯片外接8 MHz晶振，經(jīng)時鐘倍頻、分頻后作為系統(tǒng)時鐘來源。程序下載選用JTAG模式，將編譯文件通過J-Link V8 ARM仿真器下載到芯片主閃存存儲器。程序下載后BOOT0、BOOT1都設(shè)為低電平，正常工作時，每次復(fù)位后都從主閃存存儲器讀取啟動程序。

主控制芯片通過串行外設(shè)接口SPI1與A/D轉(zhuǎn)換模塊雙向通信，其中STM32為主設(shè)備，ADS8345為從設(shè)備。采用帶有串行輸入接口功能的LCM12864ZK液晶顯示屏，通過通用同步異步收發(fā)器USART1與STM32芯片連接，顯示計算結(jié)果。

2.4 隔離、保護(hù)電路

除顫器釋放瞬時高電壓大電流信號，在電壓電流檢測電路與A/D轉(zhuǎn)換電路之間加入保護(hù)電路，以確保輸入A/D轉(zhuǎn)換芯片的電壓不超過最大線性工作范圍。電壓保護(hù)電路選用穩(wěn)壓二極管LM385-2.5控制保護(hù)電路輸出電壓不超過±2.5 V。

為防止高幅度、高頻率的除顫脈沖反饋到微處理器模塊損壞STM32芯片，在微處理器模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊之間加入雙通道數(shù)字隔離器1201ARZ。該隔離器將高速CMOS與單芯片變壓器技術(shù)融為一體，性能優(yōu)于以往的光耦合器件。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由初始化程序和中斷程序組成，完成整個系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理等功能。該軟件是在ARM集成開發(fā)環(huán)境Keil MDK中編寫和調(diào)試而成。

3.1 初始化程序

初始化程序首先設(shè)置系統(tǒng)時鐘、定時器、I/O端口等控制寄存器，然后再配置SPI1、USART1等數(shù)據(jù)通信模式并初始化對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換和液晶顯示模塊。A/D轉(zhuǎn)換芯片初始化包括通道選擇、芯片時鐘、采樣頻率、采樣數(shù)據(jù)的存儲以及發(fā)送格式的設(shè)置。最后完成中斷控制寄存器初始化并等待中斷。

3.2 中斷程序

系統(tǒng)檢測到電壓大于設(shè)置的觸發(fā)電平時打開系統(tǒng)中斷處理程序，其流程如圖5所示。

圖5 中斷程序流程圖

脈沖能量計算公式為其中，Ui、Ii分別為第i個采樣電壓和電流；n為最大采樣數(shù)；Δt為采樣時間間隔。

4 測試結(jié)果

該測試系統(tǒng)與除顫器分析儀QA-45同時測量不同能量擋釋放的能量，每個能量擋測量6組數(shù)據(jù)。除顫器分析儀測量精度為±5%或者±2 J，低能量擋（小于50 J）取絕對誤差，高能量擋取相對誤差。測試結(jié)果見表1。

表1 系統(tǒng)能量測試結(jié)果

兩種方法能量測試結(jié)果平均值誤差都在除顫器分析儀測量精度范圍之內(nèi)。6次測量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差低能量擋（小于50 J）都小于0.1 J，高能量擋都小于1.5%，說明該系統(tǒng)具有良好的重復(fù)性。

5 結(jié)論

除顫器分析儀中50 Ω人體模擬負(fù)載電阻需要功率大，存在較大分布電感和電容。傳統(tǒng)除顫能量計算方法存在缺陷，分布電感、電容對能量計算結(jié)果產(chǎn)生干擾較強。本文研究的測試系統(tǒng)脈沖能量計算方法為能量值算法不受負(fù)載電阻R精度以及分布電感、電容的影響，為課題組后續(xù)研究除顫脈沖能量計量溯源提供了更好的平臺。

[1]張亮，許軍.除顫監(jiān)護(hù)儀的校準(zhǔn)及注意事項[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（9）：116-118.

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（收稿：2014-06-26 修回：2014-10-15）

Development of pulse energy testing system based on STM32

ZHANG Ya-dong1,LI Yan-feng2,JIA Jian-ge2,WU Wen-jun2,SHAO Hai-ming3
（1.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032，China;2.Institute for Drug and Instrument Control,Department of Health of General Logistics of the PLA,Beijing 100071,China;3.National Institute of Metrology,Beijing 100013,China）

ObjectiveTo develop a STM32-based energy testing system to measure pulse energy accurately and independently from load resistance.MethodsPulse voltage and current of defibrillation were turned to voltage signal within the scope of±2.5 V through voltage and current detecting circuit.Then analogy voltage signals were sampled and converted to digital ones.Computation and analysis were completed by microprocessor STM32 and displayed by LCD. ResultsThe test result from this system was consistent with the result form defibrillation analyzer.ConclusionThe energy testing system can measure pulse energy accurately and the result is independent of load resistant,which presents a technique for defibrillation energy meterage.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：8-10]

defibrillation;pulse energy;energy testing;STM32

TM531.2；R318.6

A

1003-8868（2015）01-0008-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.008

國家科技支撐計劃課題（2011BAI02B04）；軍事醫(yī)學(xué)計量科研專項課題（2011-JL2-062）

張亞冬（1985—），男，主要研究方向為衛(wèi)生裝備質(zhì)量控制檢測，E-mail：zhydbb@163.com。

710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（張亞冬）；100071北京，總后勤部衛(wèi)生部藥品儀器檢驗所（李巖峰，賈建革，武文君）；100013北京，中國計量科學(xué)研究院（邵海明）

賈建革，E-mail：jjg1966@sina.cn；邵海明，E-mail：shaohm@nim.ac.cn