呼吸末二氧化碳模塊設(shè)計

【摘 要】本文著重運用電子電路、單片機應(yīng)用和通信協(xié)議等知識完成對呼吸末二氧化碳濃度檢測模塊設(shè)計，組成由二氧化碳檢測到上位機通信的檢測系統(tǒng)，并通過調(diào)試測試能兼容醫(yī)療設(shè)備，具有良好效果的設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】二氧化碳；傳感器；電子電路；通信

一、系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)是利用AVRmega-64高速單片機構(gòu)成一個基于呼吸末二氧化碳濃度檢測系統(tǒng)，用戶對著經(jīng)過濾棉的進氣口呼吸，抽氣泵開始工作、抽氣，呼吸氣經(jīng)二氧化碳傳感器、流量閥抽氣泵至大氣，其中二氧化碳傳感器檢測出二氧化碳濃度參數(shù)、壓力參數(shù)，通過溫度和壓力補償，信號量進入數(shù)字濾波電路出去雜亂信號干擾，經(jīng)過電壓跟隨電路完成前后級隔離干擾，最后模擬量通道送入單片機內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換，壓差反映呼吸流量參數(shù)、壓力參數(shù)做波形分析和導(dǎo)出各種呼吸力參數(shù)，校零時，通過三通閥連接大氣，以當(dāng)時人所在環(huán)境大氣作為零點參數(shù)。此時，所得的數(shù)據(jù)通過一定波特率傳送上上位機結(jié)合特定軟件顯示出來人的呼吸率、大氣壓、二氧化碳變化實時曲線等易觀測數(shù)據(jù)，當(dāng)人的各項參數(shù)偏離正常值時，上位機進行報警提示，構(gòu)成一個由二氧化碳檢測到上位機通信的典型檢測系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)特點

（一）單片機資源豐富

AVR 系列中Mega64是一款高性能、低功耗，采用先進RISC精簡指令，易實現(xiàn)各種擴展功能具有1MIPS/MHz的高速運行處理能力；同時采用低功率，內(nèi)部分別集成Flash， EEPROM和SRAM三種不同性能和用途的存儲器。

（二）實時數(shù)據(jù)通信快

通過外圍電路對二氧化碳傳感器的信號進行一系列處理，由單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換，采集實時數(shù)據(jù)，所有程序采用匯編編寫，對于實時性有了很大提高，經(jīng)過特定的通訊協(xié)議，高傳輸速率，實現(xiàn)對二氧化碳的實時監(jiān)測，完成對二氧化碳濃度、大氣壓、呼吸率等各種參數(shù)的上位機顯示。

（三）電子電路典型

對于二氧化碳傳感器采集的信號，經(jīng)過壓力差分放大，電壓隔離，阻容濾波等進入單片機，綜合了專業(yè)各方面基礎(chǔ)知識。尤其對于二氧化碳信號量呈現(xiàn)反比例特點，采用和差放大電路，更是本系統(tǒng)的設(shè)計亮點。

1.電子元件選擇

采用貼片式元件 手工焊接技術(shù)工藝要求高，但體積小，占用電路板小，方便設(shè)計小功率電路，貼片的優(yōu)勢就是全自動化流水線作業(yè)，產(chǎn)能高、精度高，而且貼片電容在運輸途中不像插件式那樣容易受損，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

2.二氧化碳傳感器選擇

采用美國專業(yè)生產(chǎn)呼吸系列產(chǎn)品的公司——CardioPulmonary Technologeies.Inc。該公司最新開發(fā)的獨有的新型傳感器件，在溫度環(huán)境，壓力環(huán)境等方面的適應(yīng)性遠遠高于傳統(tǒng)產(chǎn)品，先進的技術(shù)，先進的質(zhì)量無需預(yù)熱，快速反應(yīng)小尺寸，低功耗——適用于包括插件式監(jiān)護儀的各類監(jiān)護系統(tǒng)，適應(yīng)各種環(huán)境高度自動化的檢測系統(tǒng)，完備的備件。

3.流量、壓力信號獲取選擇

采用美國專業(yè)生產(chǎn)呼吸系列產(chǎn)品的公司——CardioPulmonary Technologeies.Inc生產(chǎn)的EZ-FLOW氣體流量傳感器。該傳感器對于空氣、氧氣及笑氣的流量測量范圍廣，靈敏度高，精度好，適用于醫(yī)療系統(tǒng)中病人呼吸末氣體的流量監(jiān)測，零點穩(wěn)定度高；；全量程高穩(wěn)定性、高精確度和優(yōu)良的重復(fù)性。與流量閥配套使用，在其閥前、閥后產(chǎn)生的壓差可以反映流量信號，通過壓差傳感器檢測出對應(yīng)流量的電信號。

4.信號放大電路選擇

采用運算放大器電路是傳感器信號處理的典型應(yīng)用放大電路。運算放大器信號輸入輸出功率很小，增益很大，通常位于電路的前端。根據(jù)信號的正負和幅值等情況進行不同的放大，以達到微弱電信號輸入，單片機可識別的電壓輸出。運放帶負載能力弱，輸出電流相對小，輸出內(nèi)阻相對大。主要用與弱信號的放大。

三、設(shè)計及實現(xiàn)

為了更好地設(shè)計二氧化碳模塊與實際使用醫(yī)療設(shè)備更兼容，需要設(shè)計一些輔助電路，使得加進的模塊不影響設(shè)備的正常工作，增加了電源啟動延時電路、差壓放大電路、泵調(diào)速電路，以輔助主干電路可以正常工作，具有更準確數(shù)據(jù)，更強的兼容性，更優(yōu)的控制。

（一）電源模塊與各模塊的聯(lián)系

對電源模塊采取了延時啟動設(shè)計，電源模塊為各個模塊提供源源不斷的動力，如下圖所示，以保證各模塊之間的電流分配恰當(dāng)。

（二）信號模塊與各模塊的聯(lián)系

信號采集是這個二氧化碳模塊設(shè)計的原材料，為CPU處理模塊提供外界數(shù)據(jù)的參考，這一部的數(shù)據(jù)采集，影響到CPU處理結(jié)果的正確與否，更進一步影響到上位機顯示結(jié)果的正確與否，材料的對與錯，直接影響二氧化碳濃度、壓力參數(shù)、呼吸頻率等參數(shù)的準確性。

（三）CPU模塊與各模塊的聯(lián)系

CPU模塊是這個二氧化碳模塊設(shè)計的大腦，負責(zé)支配各個模塊的運作。對于數(shù)據(jù)的運算、處理、發(fā)送，都在于此模塊，沒有這一部分，整個系統(tǒng)就相當(dāng)于一個沒有腦袋的人，將是一個癱瘓的系統(tǒng)。

（四）通訊模塊與各模塊的聯(lián)系

通訊模塊是連接下位機與上位機的通訊，也是“產(chǎn)品”向外傳送到目的地的重要環(huán)節(jié)。通過特定的協(xié)議傳送由信號模塊采集與CPU模塊處理的數(shù)據(jù)，是承接信號數(shù)據(jù)與上位機通信的紐帶和運輸工具。

四、技術(shù)難點突破

（一）兼容問題

由于加進二氧化碳檢測模塊后，上位機設(shè)備通訊出現(xiàn)死機、參數(shù)不準確現(xiàn)象。也就表明了檢測模塊與設(shè)備的不兼容性，主要由于電壓、電流分配不均導(dǎo)致的。對于怎樣啟動才不影響設(shè)備的穩(wěn)定性，嘗試了很多次，發(fā)現(xiàn)了只要檢測模塊延時一點在啟動，整個呼吸機設(shè)備可以正常運行，所以我們設(shè)計了電源延時啟動檢測模塊，以達到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性問題。

（二）信號問題

二氧化碳傳感器，采用外國進口，發(fā)現(xiàn)隨著濃度的升高，輸出電壓值反而下降。如果直接采用放大，是不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的，而且電壓值只在3-4V之間波動，如果電壓值太高，采樣起來數(shù)據(jù)直接發(fā)送會出現(xiàn)零點值升高的問題。所以我們采用了和差電路，很好地解決了濃度升高，電壓下降和零點值的問題。

（三）數(shù)據(jù)問題

由于數(shù)據(jù)采集總遇到尖峰干擾嚴重問題，采取了限幅濾波方法，雖然還是具有小毛刺，數(shù)據(jù)不呈現(xiàn)規(guī)律明顯的變化。所以在原來限幅基礎(chǔ)上，采用了平均值方法，效果還算接近理想。但發(fā)現(xiàn)波形顯示時還是出現(xiàn)比較小的毛刺，對于這個問題，也許真的是濾波方面出現(xiàn)連個采樣值的變化問題。經(jīng)過反復(fù)的嘗試和穩(wěn)定輸出的嘗試，最后采用加權(quán)濾波，技術(shù)難點突破了，波形十分圓滑，接近完美。

（四）參數(shù)轉(zhuǎn)換問題

浮點數(shù)的轉(zhuǎn)換，而且與上位機通訊具有特定的協(xié)議，最關(guān)鍵一點這次由于數(shù)據(jù)實時性比較高，需要匯編來編程。這就是為了實時性更高，但浮點數(shù)的轉(zhuǎn)換卻給了我不少難題，又要快，又要編程量小。采集了一連串?dāng)?shù)據(jù)，反復(fù)地揣摩，發(fā)現(xiàn)了只要一個數(shù)據(jù)段，對應(yīng)的采樣值還是一個值，所以我們采用線性插值的方法進行轉(zhuǎn)換，這對于匯編來說，是很簡單地實現(xiàn)的。

（五）發(fā)送問題

與上位機通訊，全部參數(shù)和指令需要在一個10毫秒時間段完成，才可以將所有參數(shù)完整的發(fā)送出去，這對于信號采集、浮點轉(zhuǎn)換、波形識別等一連串的程序具有死死的規(guī)定，就不能完成10毫秒的任務(wù)。但是最后發(fā)現(xiàn)，采取一個大定時段夾雜多個小定時段去執(zhí)行不同的小任務(wù)，是可以足夠時間完成的。

六、總結(jié)

經(jīng)過系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試，模塊很好地與進行通訊，而且檢測信號優(yōu)良，波形顯示沒有出現(xiàn)毛刺的效果，能實現(xiàn)在一般醫(yī)療儀器上的兼容。

作者簡介：羅偉斌（1986-），性別：男，籍貫：廣東四會，本科 職稱：無 自動化。

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