基于LPC1549的智能超聲波氣泡傳感器*

胡永濤,馮新慶,周 強(qiáng),高金峰,張憲順

(1.鄭州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.北京哈特凱爾醫(yī)療科技有限公司，北京 102200；3.河南工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；4.衛(wèi)華集團(tuán)有限公司，河南 長(zhǎng)垣 453400；5.新鄉(xiāng)市旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

氣泡傳感器是醫(yī)療設(shè)備中重要的傳感器之一，廣泛用于輸液泵、透析機(jī)、人工心肺機(jī)、心衰治療設(shè)備等精密醫(yī)用儀器中[1]。在臨床治療過(guò)程中，氣泡傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管路中是否存在氣泡，并在檢測(cè)到氣泡時(shí)立即報(bào)警。氣泡傳感器檢測(cè)失效會(huì)導(dǎo)致氣泡進(jìn)入患者體內(nèi)，對(duì)患者產(chǎn)生不利影響[2]，因此，氣泡傳感器可靠穩(wěn)定的工作對(duì)于保障患者正常治療，減少醫(yī)療事故的發(fā)生具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

超聲波具有抗干擾能力強(qiáng)、檢測(cè)原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，是氣泡檢測(cè)的主要手段之一[3-5]。目前，市場(chǎng)上的傳統(tǒng)超聲波氣泡傳感器存在以下兩個(gè)缺陷：(1)在功能上，當(dāng)管路中存在氣泡時(shí)，僅有聲光報(bào)警功能，不具備通信和控制功能，若醫(yī)護(hù)人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)報(bào)警，將導(dǎo)致氣泡進(jìn)入患者體內(nèi)，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致醫(yī)療事故的發(fā)生。(2)在實(shí)現(xiàn)方法上，超聲波發(fā)射端一般采用連續(xù)脈沖或間斷的調(diào)制脈沖作為激勵(lì)源，激勵(lì)發(fā)射端壓電陶瓷產(chǎn)生連續(xù)的超聲波或間斷的超聲波[6]。采用連續(xù)脈沖具有電路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，但會(huì)縮短壓電陶瓷的壽命，從而縮短傳感器的使用壽命。采用間斷的調(diào)制脈沖，能夠有效延長(zhǎng)壓電陶瓷的壽命，但需增加電子元器件以實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制和解調(diào)，電路復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，電子元件的增加導(dǎo)致傳感器穩(wěn)定性降低，同樣不利于延長(zhǎng)傳感器使用壽命。此外，兩種方式在超聲波接收端均需全程檢測(cè)，即發(fā)射端發(fā)射超聲波后，接收端立即進(jìn)行檢測(cè)，忽略了超聲波的傳播時(shí)間，而這段時(shí)間很有可能會(huì)受到干擾信號(hào)的影響，降低檢測(cè)的可靠性。

本文擬采用微控制器LPC1549作為主控芯片，設(shè)計(jì)一種新的智能超聲波氣泡傳感器，以對(duì)傳統(tǒng)超聲波氣泡傳感器的功能和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行完善：(1)在功能上，增加了通信和控制功能，將管路中氣泡的狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)送至醫(yī)療設(shè)備總控系統(tǒng)。當(dāng)管路中出現(xiàn)氣泡時(shí)，傳感器在報(bào)警的同時(shí)也切斷管路，以有效避免因氣泡進(jìn)入患者體內(nèi)發(fā)生的醫(yī)療事故。(2)在實(shí)現(xiàn)方法上，對(duì)超聲波產(chǎn)生和檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)，利用LPC1549的狀態(tài)可配置定時(shí)器(State-Configurable Timers, SCT)和多速率定時(shí)器(Multi-Rate Timer, MRT)產(chǎn)生的間斷猝發(fā)脈沖作為激勵(lì)源，激勵(lì)發(fā)射端壓電陶瓷產(chǎn)生間斷的超聲波；針對(duì)接收端超聲波檢測(cè)，提出一種超聲波加窗檢測(cè)算法，僅對(duì)固定時(shí)間窗內(nèi)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，即超聲波傳輸至接收端時(shí)開(kāi)始檢測(cè)，超聲波離開(kāi)接收端時(shí)停止檢測(cè)，以有效避免干擾，提高檢測(cè)的可靠性。這種智能超聲波氣泡傳感器具有電路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定性高、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 超聲波氣泡傳感器檢測(cè)原理

超聲波是一種頻率高于20kHz的聲波，具有方向性好、穿透能力強(qiáng)、聲能集中、在水中傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可用于清洗、碎石、殺菌消毒、測(cè)距等，在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用廣泛[7]。

超聲波在氣體、液體和固體中的能量衰減不同，因此?？刹捎猛干浞z測(cè)超聲波發(fā)射端和接收端之間是否存在氣體。超聲波氣泡傳感器原理如圖1所示，主要由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收及檢測(cè)電路、發(fā)射端換能器、接收端換能器等構(gòu)成。具體工作原理如下：(1)換能器采用固定諧振頻率的壓電陶瓷，超聲波發(fā)射電路輸出脈沖，激勵(lì)發(fā)射端壓電陶瓷發(fā)射超聲波；(2)超聲波經(jīng)管路傳輸至接收端壓電陶瓷后被轉(zhuǎn)換為電能；(3)超聲波接收及檢測(cè)電路對(duì)接收到的電能進(jìn)行檢測(cè)，以判斷管路中是否存在氣泡；(4)當(dāng)管路中無(wú)氣泡時(shí)超聲波穿過(guò)液體的能量衰減很小，接收端壓電陶瓷接收到的超聲波能量較大，轉(zhuǎn)換后的電能較大；(5)當(dāng)液體中有氣泡時(shí)，超聲波大部分能量在氣泡表面散射衰減，接收端壓電陶瓷接收到的超聲波能量較小，轉(zhuǎn)換后的電能較小。

圖1 超聲波氣泡傳感器原理圖

2 智能超聲波氣泡傳感器

2.1 智能超聲波氣泡傳感器系統(tǒng)組成

智能超聲波氣泡傳感器系統(tǒng)框圖如圖2所示，主要由微控制器、電源模塊、報(bào)警模塊、控制模塊、超聲波檢測(cè)模塊、通信模塊等部分組成。

圖2 智能超聲波氣泡傳感器系統(tǒng)框圖

LPC1549是NXP公司生產(chǎn)的一種基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，主頻高達(dá)72MHz，具有256K的Flash和豐富的外設(shè)接口：包括4個(gè)4路SCT、1個(gè)4路MRT、76個(gè)通用輸入輸出(General Purpose Input Output, GPIO)、1個(gè)模擬電壓比較器(Analog Comparators, ACMP)、3個(gè)通用同步異步收發(fā)器(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter, USART)、1個(gè)控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network, CAN)、2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口(Standard peripherals interface, SPI)、1個(gè)內(nèi)部集成電路總線(xiàn)(Internal Integrated Circuit bus, IIC)等。智能超聲波氣泡傳感器以微控制器LPC1549為核心，利用SCT和MRT產(chǎn)生猝發(fā)脈沖，驅(qū)動(dòng)發(fā)射端壓電陶瓷發(fā)射超聲波，接收端壓電陶瓷接收超聲波，經(jīng)檢測(cè)模塊轉(zhuǎn)換為梯形電壓，輸入至LPC1549的ACMP進(jìn)行氣泡檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果由GPIO驅(qū)動(dòng)LED進(jìn)行指示，并可通過(guò)USART或CAN發(fā)送至總控系統(tǒng)的通信模塊，供總控系統(tǒng)處理。同時(shí)，根據(jù)氣泡狀態(tài)，利用LPC1549的SCT產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)控制模塊的電磁閥及時(shí)打開(kāi)或切斷管路，避免氣泡流入患者體內(nèi)，保證正常治療。

2.2 超聲波加窗檢測(cè)

超聲波氣泡傳感器的基本功能是氣泡檢測(cè)，為了延長(zhǎng)傳感器使用壽命，提高檢測(cè)可靠性，可采用超聲波加窗檢測(cè)方法對(duì)市場(chǎng)上的超聲氣泡傳感器進(jìn)行硬件及軟件優(yōu)化，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泡的可靠檢測(cè)。超聲波加窗檢測(cè)僅對(duì)超聲波時(shí)間窗內(nèi)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)超聲波傳輸至接收端時(shí)開(kāi)始檢測(cè)，超聲波離開(kāi)接收端時(shí)停止檢測(cè)。

室溫下，超聲波在ABS塑料和水中的傳播速度，發(fā)射端到接收端距離，超聲波從發(fā)射端到接收端的傳播時(shí)間。因此，可在超聲波傳輸至接收端時(shí)開(kāi)始檢測(cè)，超聲波傳出接收端時(shí)停止檢測(cè)，即加窗檢測(cè)。連續(xù)脈沖激勵(lì)法通過(guò)對(duì)接收端脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)氣泡檢測(cè)，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于脈沖值時(shí)，判斷為有氣泡，否則為無(wú)氣泡，接收端必須連續(xù)檢測(cè)。雖然調(diào)制脈沖法的激勵(lì)脈沖是間斷的，但在接收端需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，通過(guò)讀取接收端方波個(gè)數(shù)判斷是否存在氣泡，同樣需要連續(xù)檢測(cè)。

智能超聲波氣泡傳感器通過(guò)猝發(fā)脈沖激勵(lì)產(chǎn)生超聲波，超聲波在接收端被轉(zhuǎn)換為梯形電壓，通過(guò)比較電壓大小實(shí)現(xiàn)氣泡檢測(cè)，當(dāng)電壓小于設(shè)定值時(shí)，判斷為有氣泡，否則為無(wú)氣泡，由于無(wú)需解調(diào)和計(jì)數(shù)，可以方便地實(shí)現(xiàn)超聲波加窗檢測(cè)。猝發(fā)脈沖如圖3所示，脈沖是由SCT產(chǎn)生的PWM，頻率為1.76MHz，占空比為50%，幅值為3.3V，一個(gè)PWM包含10個(gè)方波信號(hào)。猝發(fā)時(shí)間由MRT控制，猝發(fā)頻率為1kHz，周期為1ms。

圖3 猝發(fā)脈沖

猝發(fā)脈沖激勵(lì)發(fā)射端壓電陶瓷發(fā)射超聲波，經(jīng)6μs后傳輸至接收端壓電陶瓷，超聲波發(fā)射和接收時(shí)序如圖4所示，為了便于檢測(cè)和程序設(shè)計(jì)，超聲波發(fā)出5.68μs后，接收端才開(kāi)始檢測(cè)，即時(shí)間窗從5.68μs開(kāi)始，窗體大小6μs。

圖4 超聲波發(fā)射和接收時(shí)序

基于上述原理設(shè)計(jì)了超聲波氣泡檢測(cè)電路，如圖5所示，超聲波探頭通過(guò)接線(xiàn)端子P1接入LPC1549。LPC1549的PIO_8和PIO_17接紅綠雙色LED，指示氣泡狀態(tài)，有氣泡時(shí)LED為紅色，無(wú)氣泡時(shí)LED為綠色。LPC1549的PIO_24輸出圖3所示的猝發(fā)脈沖，經(jīng)P1_1接發(fā)射端壓電陶瓷發(fā)射超聲波。P1_3接接收端壓電陶瓷，將超聲波轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)，經(jīng)兩級(jí)放大和帶通濾波后轉(zhuǎn)換為梯形電壓信號(hào)，有氣泡時(shí)電壓幅值較小，無(wú)氣泡時(shí)電壓幅值較大。梯形電壓信號(hào)通過(guò)LPC1549的PIO_25輸入至模擬電壓比較器，與設(shè)定電壓值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)氣泡檢測(cè)。檢測(cè)電路僅用到一個(gè)放大器芯片AD8052，電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

圖5 超聲波氣泡檢測(cè)電路

根據(jù)硬件電路及氣泡檢測(cè)原理設(shè)計(jì)了相應(yīng)軟件，主程序流程圖如圖6所示，主要包括SCT初始化、MRT初始化和ACMP初始化3部分。

(1) 猝發(fā)脈沖：SCT3通道0設(shè)置為PWM輸出，PWM的頻率為1.68MHz，占空比為50%。MRT通道1設(shè)置為重復(fù)計(jì)數(shù)模式，頻率為1kHz，即每1ms進(jìn)一次MRT中斷。進(jìn)入MRT中斷后對(duì)通道1中斷進(jìn)行處理，即開(kāi)啟SCT輸出，并設(shè)置MRT通道0為單次計(jì)數(shù)模式，計(jì)數(shù)時(shí)長(zhǎng)為5.68μs。MRT通道0計(jì)數(shù)結(jié)束后再次進(jìn)入MRT中斷，對(duì)通道0中斷進(jìn)行處理，即關(guān)閉SCT輸出。經(jīng)MRT的兩次中斷處理，開(kāi)啟和關(guān)閉SCT輸出，即可產(chǎn)生圖3所示的猝發(fā)脈沖。

(2) 加窗檢測(cè)：關(guān)閉SCT輸出的同時(shí)開(kāi)啟ACMP中斷，開(kāi)始?xì)馀輽z測(cè)，即超聲波發(fā)出5.68μs后才進(jìn)入ACMP中斷。由于ACMP設(shè)置為雙邊沿觸發(fā)的梯形電壓比較，當(dāng)ACMP檢測(cè)到梯形電壓時(shí)停止檢測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)加窗檢測(cè)。

2.3 電磁夾管閥管路控制

根據(jù)超聲波氣泡檢測(cè)硬件及軟件，智能超聲波氣泡傳感器每秒檢測(cè)1000次，具有較好的動(dòng)態(tài)性能，能夠及時(shí)檢測(cè)到管路中的氣泡。當(dāng)檢測(cè)到氣泡后，為避免氣泡流入患者體內(nèi)，可通過(guò)電磁夾管閥實(shí)現(xiàn)管路的切斷。電磁夾管閥控制電路如圖7所示，電磁夾管閥額定電壓為24V，額定電流2A，通過(guò)雙半橋馬達(dá)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8816驅(qū)動(dòng)電磁夾管閥。LPC1549的PIO_26和PIO_28控制DRV8816的IN1和IN2的使能，LPC1549的SCT0通道0和通道4分別輸出PWM至DRV8816的IN1和IN2，實(shí)現(xiàn)電磁夾管閥正反轉(zhuǎn)控制，進(jìn)而導(dǎo)通或切斷管路。

圖6 主程序流程圖

圖7 電磁閥控制電路

3 試驗(yàn)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求制作出智能超聲波氣泡傳感器，如圖8所示。試驗(yàn)針對(duì)智能超聲波氣泡傳感器氣泡檢測(cè)功能進(jìn)行分析，分析信號(hào)包括實(shí)測(cè)的猝發(fā)脈沖、接收端收到的超聲波信號(hào)和經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)換的梯形電壓信號(hào)。

管路中無(wú)氣泡時(shí)，示波器實(shí)測(cè)3種信號(hào)如圖9所示，從上到下依次為猝發(fā)脈沖信號(hào)、超聲波信號(hào)和梯形電壓信號(hào)。猝發(fā)脈沖的猝發(fā)頻率為999.996Hz，PWM頻率為1.761MHz，幅值為3.04V，共10個(gè)方波，與理論設(shè)計(jì)相符。猝發(fā)脈沖發(fā)出6μs后，接收端接收到超聲波信號(hào)，幅值為172mV，無(wú)氣泡時(shí)，超聲波信號(hào)衰減較小，接收端能夠獲得完整的超聲波信號(hào)。超聲波信號(hào)經(jīng)檢測(cè)電路放大濾波后轉(zhuǎn)換為梯形電壓，幅值為1.52V。

1.LPC1549 2.超聲波探頭及接口 3.紅綠雙色LED 4.DRV8816及電磁閥接口 5.電源及CAN收發(fā) 6.串口收發(fā) 7.SWD程序下載接口 8.系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指示燈

圖9 無(wú)氣泡時(shí)示波器實(shí)測(cè)信號(hào)

圖10 有氣泡時(shí)示波器實(shí)測(cè)信號(hào)

管路中有氣泡時(shí)，示波器實(shí)測(cè)3種信號(hào)如圖10所示，猝發(fā)脈沖的猝發(fā)頻率為999.997Hz，PWM頻率為1.764MHz，幅值為3.2V，共10個(gè)方波，與理論設(shè)計(jì)相符。猝發(fā)脈沖發(fā)出6μs后，接收端接收到超聲波信號(hào)，幅值為14mV，超聲波信號(hào)衰減較大，接收端不能收到完整的超聲波信號(hào)，經(jīng)檢測(cè)電路放大濾波后轉(zhuǎn)換為梯形電壓，幅值為660mV。

管路中有氣泡和無(wú)氣泡時(shí)，梯形電壓信號(hào)幅值差別較大，經(jīng)LPC1549模擬比較器進(jìn)行比較，可判斷管路中是否存在氣泡。該傳感器已在心衰超濾治療設(shè)備上進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明氣泡檢測(cè)快速可靠，有氣泡時(shí)能及時(shí)切斷管路，并將氣泡狀態(tài)發(fā)送至設(shè)備總控系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)傳統(tǒng)超聲波氣泡傳感器進(jìn)行硬件及軟件改進(jìn)，提出超聲波加窗檢測(cè)算法，設(shè)計(jì)出具有通信及管路控制功能的智能超聲波氣泡傳感器。試驗(yàn)分析及在心衰超濾治療設(shè)備上的應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的智能超聲波氣泡傳感器具有氣泡檢測(cè)快速可靠、管路切斷迅速及時(shí)、通信功能良好等優(yōu)點(diǎn)，為醫(yī)療設(shè)備提供了一種新型氣泡傳感器。