基于STM32F745 的電動(dòng)氣壓止血儀的研制

孫 磊，張 立

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與信息中心，江蘇 徐州 221000；2.徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

電動(dòng)氣壓止血儀是醫(yī)院手術(shù)室必備的設(shè)備，該儀器通過(guò)氣壓壓縮氣囊或袖帶，進(jìn)而控制患者四肢的血流量，達(dá)到止血的目的[1]。隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電動(dòng)氣壓止血儀在臨床治療中的作用得到了更大的認(rèn)可[2]。然而，現(xiàn)有的單氣囊電動(dòng)氣壓止血儀存在操作繁瑣、壓強(qiáng)輸出精度低、穩(wěn)定性差以及容易造成肢體損傷等問(wèn)題[3]。ATS?5000A 型電動(dòng)氣壓止血儀穩(wěn)定性強(qiáng)，但是該型號(hào)的電動(dòng)氣壓止血儀采用薄膜按鍵，操作步驟繁多，人機(jī)交互性差；ATS?1000A 型電動(dòng)氣壓止血儀的壓強(qiáng)輸出精度低，對(duì)其頻繁操作后，會(huì)出現(xiàn)異常狀態(tài)；ATD?4000B 型電動(dòng)氣壓止血儀也存在壓強(qiáng)輸出精度低的問(wèn)題；單氣囊型的電動(dòng)氣壓止血儀普遍存在容易造成患者肢體損傷的問(wèn)題。隨著處理器技術(shù)、傳感器技術(shù)、軟件工程與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的發(fā)展，為設(shè)計(jì)并研制新型電動(dòng)氣壓止血儀提供了可靠方案[4?5]。本文旨在利用芯片技術(shù)、傳感器技術(shù)、軟件工程技術(shù)等[6]，設(shè)計(jì)并研制一款新型電動(dòng)氣壓止血儀，以改善現(xiàn)有電動(dòng)氣壓止血儀存在的人機(jī)交互性差、壓強(qiáng)輸出精度低與穩(wěn)定性差等問(wèn)題。

1 電動(dòng)氣壓止血儀硬件設(shè)計(jì)

1.1 電動(dòng)氣壓止血儀整體功能設(shè)計(jì)

電動(dòng)氣壓止血儀硬件部分包括STM32F745 處理器與外圍驅(qū)動(dòng)電路、電源管理模塊、功能按鍵電路、氣壓傳感芯片、無(wú)線信號(hào)傳輸芯片、串口通信電路與繼電器模塊等。如圖1 所示，STM32F745 處理器是電動(dòng)氣壓止血儀的控制中樞，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的調(diào)度；繼電器、微型電機(jī)與氣泵的組合能夠?qū)χ寡獛饽页浞艢?，?shí)現(xiàn)止血的功能；MS5611 氣壓監(jiān)測(cè)芯片可以實(shí)時(shí)檢測(cè)氣囊中的壓強(qiáng)值，這是電動(dòng)氣壓止血儀實(shí)現(xiàn)智能充放氣的基礎(chǔ)；ESP8266無(wú)線信號(hào)傳輸芯片可以將電動(dòng)氣壓止血儀的實(shí)時(shí)狀態(tài)與采集到的氣囊壓強(qiáng)信息轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)多終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與后續(xù)對(duì)止血過(guò)程的研究；MAX3232CES 芯片能夠?qū)崿F(xiàn)串口通信，是液晶屏與主處理器之間的信號(hào)傳輸通路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)氣壓止血儀的人機(jī)交互功能。

圖1 電動(dòng)氣壓止血儀硬件功能框圖

1.2 主處理器與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電動(dòng)氣壓止血儀的主處理器為意法半導(dǎo)體的STM32F745 芯片。采用了意法半導(dǎo)體ART Accelerator加速器與一級(jí)高速緩存的STM32F745 芯片是一款超高性能的處理器[7]。此外，STM32F745 為ARM 體系架構(gòu)，采用Cortex?M7 內(nèi)核與Multi?AHB 總線矩陣，支持μClinux（Micro?Conrol?Linux）系 統(tǒng)[8]。STM32F745 芯 片工作電壓為3.3 V，功耗低，內(nèi)置資源豐富[9]。圖2 是STM32F745 芯片及其驅(qū)動(dòng)電路圖。STM32F745 的驅(qū)動(dòng)電路由復(fù)位電路、在線程序調(diào)試接口電路、芯片驅(qū)動(dòng)輔助電路與晶振電路等構(gòu)成。STM32F745 芯片內(nèi)部寫入了已經(jīng)編譯的電動(dòng)氣壓止血儀系統(tǒng)程序。在電動(dòng)氣壓止血儀啟動(dòng)后，按照系統(tǒng)程序執(zhí)行各項(xiàng)事件。

1.3 電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

電動(dòng)氣壓止血儀的電壓管理電路由芯片LM2596S?5.0 與LD1117?3.3 組成。整個(gè)電動(dòng)氣壓止血儀包括24 V、5 V 與3.3 V 共三種類型的直流電壓。這三種直流電壓滿足了電動(dòng)氣壓止血儀上全部元器件與功能部件的電壓需求[10]。LM2596S?5.0 芯片與LD1117?3.3 芯片之間是級(jí)聯(lián)關(guān)系，LM2596S?5.0 的直流輸出信號(hào)是LD1117?3.3 的直流輸入信號(hào)，LM2596S?5.0 的直流輸入信號(hào)是適配器的24 V 直流電壓。24 V 輸出電壓為充放氣功能電路提供工作電壓，5 V 輸出電壓為液晶模塊與充放氣功能電路部分元器件等提供工作電壓，3.3 V 輸出電壓為STM32F745、MAX3232、MS5611 與ESP8266 等提供工作電壓。24 V、5 V 與3.3 V 電壓作為信號(hào)源也能夠?yàn)槿龢O管電路提供邏輯信號(hào)[11]。圖3 為電壓轉(zhuǎn)換電路圖，其中，LM2596S?5.0 及其驅(qū)動(dòng)電路由100 μH 的電感L1，二極管IN5822，電容C7，C8與C9組成。LD1117?3.3 及其驅(qū)動(dòng)電路由極性電容C10與C12，普通電容C11與C13組成。整個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路簡(jiǎn)潔高效，能滿足電動(dòng)氣壓止血儀上元器件的電壓需求。

圖2 STM32F745 主處理器與驅(qū)動(dòng)電路圖

圖3 電壓轉(zhuǎn)換電路圖

1.4 充放氣功能電路設(shè)計(jì)

電動(dòng)氣壓止血儀的充放氣功能模塊由繼電器控制電路、電磁閥控制電路、微型電機(jī)（U4）、氣泵（U5）、電磁閥（U6）、通氣管（U7）與氣囊（U8）組成，圖4 為充放氣功能電路圖。其中，繼電器控制電路調(diào)控微型電機(jī)；微型電機(jī)與氣泵連接，調(diào)控氣泵；電磁閥位于氣泵與通氣管的連接處，是氣泵與通氣管之間的開關(guān)，可通過(guò)電磁閥控制電路進(jìn)行調(diào)控；通氣管與氣囊連接。繼電器控制電路與電磁閥控制電路的構(gòu)成元件包括電阻、發(fā)光二極管、三極管8550、三極管IRF540 與閉合開關(guān)等。本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)氣壓止血儀采用雙氣囊，另一個(gè)氣囊的控制電路與圖4 相同。

圖4 充放氣功能電路圖

1.5 氣壓強(qiáng)度采集與液晶顯示電路設(shè)計(jì)

圖5 為氣壓強(qiáng)度采集與液晶顯示電路圖，該電路由LCD、MAX3232 及其驅(qū)動(dòng)電路、MS5611 及其驅(qū)動(dòng)電路組成。其中，MS5611 為MEAS 瑞士分公司生產(chǎn)的氣壓信號(hào)采集芯片，其工作電壓[12]為3.3 V。MS5611 具有SPI與I2C 兩種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，能輸出24 位高精度數(shù)字壓力值。MS5611 芯片負(fù)責(zé)采集氣囊中的氣壓值，并將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給電動(dòng)氣壓止血儀主處理器；主處理器通過(guò)MAX3232 通信芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到LCD 上。通過(guò)LCD醫(yī)護(hù)人員就能實(shí)時(shí)觀測(cè)到氣囊中的氣壓值，進(jìn)而提升電動(dòng)氣壓止血儀在使用過(guò)程中的安全性。

圖5 氣壓強(qiáng)度采集與液晶顯示電路圖

1.6 無(wú)線信號(hào)傳輸電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)將電動(dòng)氣壓止血儀采集的氣囊壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測(cè)終端，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)ESP8266 無(wú)線信號(hào)傳輸電路。ESP8266 的工作電壓為3.3 V，支持IEEE 802.11b、IEEE 802.11g 與IEEE 802.11n 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線傳輸速率[13]最高可達(dá)54 Mb/s。圖6 是ESP8266 芯片及其驅(qū)動(dòng)電路，該電路由復(fù)位電路、工作狀態(tài)指示電路等組成。ESP8266 通過(guò)串口通信的方式接收主處理器轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的氣囊壓力值。然后，通過(guò)WiFi 通信的方式，將ESP8266氣囊氣壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到各監(jiān)測(cè)終端。ESP8266 芯片的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)潔、功耗低、誤碼率低，能夠滿足電動(dòng)氣壓止血儀無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

圖6 無(wú)線信號(hào)傳輸電路圖

2 電動(dòng)氣壓止血儀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)氣壓止血儀的中央控制芯片為STM32F745，采用的操作系統(tǒng)為μClinux。μClinux操作系統(tǒng)是Linux 2.0/2.4內(nèi)核被裁剪優(yōu)化得到的[14]。μClinux 操作系統(tǒng)體積小、穩(wěn)定，具有良好的移植性與強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)性能[15]。圖7所示為電動(dòng)氣壓止血儀軟件工作流程。在給電動(dòng)氣壓止血儀上電后，電壓轉(zhuǎn)換電路開始正常工作，并為電動(dòng)氣壓止血儀主板上各芯片提供工作電壓。接著，主處理器STM32F745 芯片初始化，運(yùn)行μClinux 操作系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，初始化氣壓監(jiān)測(cè)芯片、液晶顯示芯片、無(wú)線信號(hào)傳輸芯片與串口通信芯片等。當(dāng)所有硬件芯片與μClinux 操作系統(tǒng)初始化完成后，μClinux 開始檢測(cè)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，完成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的連接。此時(shí)，醫(yī)務(wù)人員選擇合適的止血帶，固定在人體相應(yīng)部位。同時(shí)，根據(jù)液晶顯示器的提示設(shè)置電動(dòng)氣壓止血儀的壓力、工作時(shí)間等參數(shù)。在完成設(shè)置后，液晶顯示器會(huì)提醒“已經(jīng)進(jìn)入就緒狀態(tài)，可以開始手術(shù)”。觸發(fā)“開始手術(shù)”的按鍵后，電動(dòng)氣壓止血儀就進(jìn)入正常工作狀態(tài)，自動(dòng)為止血帶充氣到設(shè)定氣壓值。氣壓監(jiān)測(cè)芯片在整個(gè)電動(dòng)氣壓止血儀的工作過(guò)程中會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣囊中的氣壓值，并將信息轉(zhuǎn)發(fā)到醫(yī)務(wù)人員終端處，實(shí)現(xiàn)多終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)手術(shù)結(jié)束時(shí)，觸發(fā)電動(dòng)氣壓止血儀的“手術(shù)結(jié)束”按鍵，電動(dòng)氣壓止血儀便會(huì)自動(dòng)為止血帶放氣。在完成本次手術(shù)后，電動(dòng)氣壓止血儀進(jìn)入“等待狀態(tài)”，等待下一次“手術(shù)開始”事件的觸發(fā)。

3 無(wú)線信號(hào)傳輸性能測(cè)試

測(cè)試時(shí)，部署10 臺(tái)已經(jīng)完成的電動(dòng)氣壓止血儀（命名為SB1～SB10）、1 個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、1 臺(tái)服務(wù)器（固定終端：終端A）、1 部手機(jī)（移動(dòng)終端：終端B）。其中，移動(dòng)終端與10 臺(tái)電動(dòng)氣壓止血儀都在同一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)內(nèi)，固定終端與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間用網(wǎng)線直連。10 臺(tái)電動(dòng)氣壓止血儀按照相同的時(shí)間間隔，依次獨(dú)立發(fā)送5000 個(gè)數(shù)據(jù)包，固定終端與移動(dòng)終端根據(jù)數(shù)據(jù)包的名稱分別統(tǒng)計(jì)獲取到每臺(tái)電動(dòng)氣壓止血儀的數(shù)據(jù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)信息得到表1 監(jiān)測(cè)終端丟包率的信息。測(cè)試結(jié)果表明，固定監(jiān)測(cè)終端的丟包率為0.16%，移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的丟包率為0.18%，無(wú)線通信可靠。

圖7 電動(dòng)氣壓止血儀軟件工作流程圖

表1 監(jiān)測(cè)終端丟包率

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并研制的新型電動(dòng)氣壓止血儀克服了傳統(tǒng)設(shè)備的弊端，增加了無(wú)線通信功能，更具交互性與智能性，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。具體如下；

1）研制的電動(dòng)氣壓止血儀采用雙氣囊的結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)雙氣囊控制系統(tǒng)。兩個(gè)氣囊交替工作能夠避免單一氣囊長(zhǎng)時(shí)間壓迫患者肢體固定位置造成的肢體損傷問(wèn)題。這克服了單一氣囊電動(dòng)氣壓止血儀的弊端。

2）研制的電動(dòng)氣壓止血儀增加了液晶提示面板及相應(yīng)的軟件功能，同時(shí)，增加了無(wú)線信號(hào)傳輸功能。將采集到的氣囊壓力值實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到終端，提高了電動(dòng)氣壓止血儀在工作時(shí)的安全性，且完善的液晶提示等功能使電動(dòng)氣壓止血儀更具交互性。