人体表面温度控制系统的软件实现方法

2010-03-01谭宝昌杨连发覃佳能陈隆鸿

装备制造技术 2010年12期

谭宝昌，张震，杨连发，覃佳能，陈隆鸿

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004）

在医疗手术及康复过程中，患者常常会因为核心温度降低而出现低体温的现象，此现象对手术及术后康复极为不利，会直接影响手术成败及术后恢复的效果[1]。因此，使用辅助保温装置，对手术及术后康复过程中的人体表面温度（简称体表温度）进行控制，已成为最常用的保温措施之一。

在人体表面温度控制系统的软件实现方法上，人们开展了一些研究。例如广西大学的韦文代提出了基于九点控制器算法的温度控制系统[2]，该系统的软件是基于C8051单片机的SmallRTOS实时操作系统的；桂林电子科技大学的张苗苗提出的基于单片机的PID算法等[3]。由于人体表面温度的控制具有实时性、交互性等特点，需要实现智能控制，采用一般的软件实现方法，已经不能满足设计的要求。

Linux嵌入式操作系统，是一款成熟而稳定的操作系统，可以在此系统的基础上，实现多种软件控制与开发，并能对多种硬件结构的驱动进行移植，制定特定的软件实现方案；具有容易修改和系统优化、支持网络、适合多种CPU等特点。本文阐述采用ARM9 Linux实现人体表面温度控制系统的软件方法。

1 系统控制原理

本系统是以ARM9 Linux嵌入式操作系统，作为软件控制平台，以人体体表温度为控制源，以气体的温度和流量为控制量，结合人体热调节理论，共同完成对体表温度的控制[4]。

该软件系统主要包括：多点控制源的温度采样与控制、液晶显示、故障检测及报警、气体温度采样、气体温度控制和气体流量控制等模块，其控制系统结构如图1所示。其中，多点温度采集的是身体各部位的体表温度，采集后将这些数据通过控制平台存储到存储器内；显示模块用于显示采集到的体表温度、气体温度和实时核心温度，并根据采集到的温度信号绘制其随时间的变化曲线；控制模块主要包括电源开关、参数设置、状态选择、数据输入等；故障检测及报警模块在系统开机时，进行软硬件复位检测，同时记录系统运行过程中相对应的状态值，并对其进行分析，若其为故障数值，则进行报警；气体温度控制和气流控制模块，是由Linux嵌入式核心平台直接控制，由增量式PID控制算法所得到的控制量决定，控制量由采集的体表温度和控制源的核心温度决定。

图1 控制系统结构图

2 软件实现

本软件系统将实现人体核心温度的实时性和智能化控制，但由于以往的软件系统的不确定性和滞后性，不能满足大存储、高精度、在线升级等智能化要求。然而，Linux是一款成熟而稳定的操作系统，其源代码是完全对外开放的，可以根据用户需求量身定制系统，尤其在本软件系统中，能够实现实时性和智能化控制要求。

2.1 操作系统移植

Linux内核版本更新速度非常快，本系统采用比较新的Linux2.6.28版本。在移植系统前，要先将Bootloader启动程序固化在NOR Flash上，再用DNW软件下载硬件测试程序，测试整个系统的硬件，确保硬件系统的正常。系统移植主要包括移植引导程序、编译内核和构建根文件系统共3个部分[5]。引导程序在系统上电的时候开始执行，初始化硬件设备，然后调用Linux系统内核。

系统移植主要分为以下步骤进行：

（1）在 PC机上安装 gcc、binutils、glibc和 vivi等软件以及ARM内核相应的BSP；

（2）按照系统开发的需要添加相应的接口驱动程序；

（3）通过编译得到相应的Linux系统映像文件；

（4）下载Linux系统映像到ARM控制系统的NAND Flash中；

（5）固化系统的bootloader。

2.2 软件设计

系统通过人体表面温度，来间接实现人体核心温度的实时监控，其应该具备以下功能：友好的可视化操作界面、精确的温度检测和控制、多方位的智能化控制等。本文结合Linux嵌入式操作系统，设计出比较智能的硬件结构，并实现了系统各个模块的功能：人体各部位温度的实时显示、气体温度显示、核心温度显示，通过键盘或者触摸屏设置核心参考温度、系统的开始和结束。

图2 软件结构框图

软件系统的主要任务是：温度信号采样、键盘读取、触摸式LCD显示、PID控制算法实现、气体温度控制等，软件结构框图如图2所示[2]。

温度信号采样，主要结合滤波法和均值法采样人体表面温度和气体温度；

键盘读取，通过行列扫描法对外接的键盘进行扫描；

触摸式LCD显示，是结合四线电阻式触摸板和LCD图形显示，并能将触摸位置与图像位置形结合，共同实现触摸式显示；

PID控制算法实现，是将采集到的温度信号送入增量式PID控制器，经过运算得出控制量；

气体温度控制，由增量式PID得出的控制量间接控制电热丝的通断时间，达到控制气体的目的。

系统各任务的优先级从高到底的顺序为：温度信号采样、增量式PID算法实现、键盘扫描和触摸屏扫描、控制气温、液晶显示。各任务的优先级顺序不能调换，系统严格按照各任务的优先级执行各任务。

3 系统任务的设计

3.1 温度采样的软件实现方法

温度信号的采样，是通过ARM9 S3C2440A处理器自带的A/D模块来实现的，ARM9本身集成一个10位COMS逐次逼近型的模数转换器，ARM9 S3C2440A处理器最高工作频率可达400MHz，保证了其模数转换器的转换速度。在该控制系统中，为了准确地采集温度，采用采集10次/s温度信号的方法。在数据处理方面，结合中值滤波法和平均滤波法，通过对10次数据的存储，去掉最大值和最小值，然后对剩下的值取平均值，便可得到当前实际温度值[2]，然后，将其送往LCD控制器进行显示。温度信号采样流程图如图3所示。

温度信号采样，在整个系统中非常重要，关系到整个系统能否正常工作、能否精确控制人体核心温度。所以将温度信号采样这个任务的优先级，设为最高级，即采集温度信号后，才执行系统的其他任务。温度信号采样完毕后，将采集的温度以消息队列的形式，存储起来，并与其他任务实现数据共享。

3.2 PID控制算法的软件实现方法

PID控制算法的实现，是整个控制系统的核心部分，本系统采用单独的任务进行控制。要快速地稳定人体的核心温度，除了保证硬件的控制精度外，更多的是选用一种比较好的控制算法。PID控制算法是连续控制系统中技术成熟、应用最为广泛的控制算法[6]。在本系统中，采用增量式PID算法。首先将传感器采集的温度数值，与设定的核心温度数值进行比较，把比较得到的差值信号，经过一定的规律计算后，得到相应的控制值，并将其送往PID控制器，控制气体温度和流量，进而借助恒温气体与人体表面进行的热能交换，来间接达到稳定人体核心温度的目的。增量式PID的算法如下[7]：

式中，

Kp为比例系数；

T为采样周期；

e(n)，e(n-1)，e(n-12)分别为当前时刻、前一时刻、再前一时刻的实时采样温度值与设定核心温度值的差值；

Ti为积分时间常数；

Td为微分时间常数。

增量式PID的优点，在于只要保持前3个时刻的差值，输出控制量的初始设定值不必很准确，便可以很快进入稳定状态。

增量式PID算法流程图图4所示。增量式PID控制算法较为简单，能用简单的数学运算算出气体温度的增量控制量。因为PID控制算法是整个系统的核心控制部分，由其得出的控制量，间接影响到气体温度，关系着整个系统的控制精度，所以将其优先级设定为次高级，仅次于温度信号采样。

图3 温度信号采样流程图

图4 增量式PID算法流程图

3.3 控制气体温度的软件实现方法

控制气体温度，是整个系统的执行部分，为了达到实时控制的目的，将控制气体温度任务的优先级，设定在温度信号采样、触摸屏读取和键盘扫描任务之后。首先采集温度信号，然后通过ARM控制单元的PID控制器得到气体温度的控制量，将控制量送入ARM自带的PWM计数器中，从而得到相应的占空比，然后控制晶体管的导通时间，进而改变电加热丝的功率，实现对气体温度的控制。其控制流程图如图5所示。

由于气体具有流动性，对气体温度信号的采集和对电热丝的控制，显得尤为重要。ARM9 S3C2440A处理器自带的A/D是10位的，保证了气温信号采样的精度；在采样后的数据处理方面，结合了中值滤波法和平均滤波法，保证了采样气温信号的准确性；采样的气温信号，经过PID控制器的处理，能快速调整PWM占空比，间接控制电热丝的加热，使控制的气温快速趋于稳定。

3.4 液晶显示及触摸屏的软件实现方法

本系统选用的是带触摸屏的TFT真彩LCD作为显示部件。在Linux操作系统的基础上，设计出友好的显示界面、温度曲线绘制界面、控制界面或控制按钮。

Linux嵌入式操作系统控制平台集成了LCD控制器。LCD控制器的主要功能用于传输、显示数据和产生控制信号。系统每次在执行任务时，都往LCD控制器发生显示所需的数据和命令。液晶在系统的每个运行周期都对液晶进行刷新，通过对触摸屏的扫描，来显示参数或者改变显示的画面。

触摸屏的设计，是该系统人机交互的重要环节。在整个控制系统中，根据用户需要，可以通过触摸屏设置控制温度。ARM采用中断方式，对触摸屏的坐标进行读取。当触摸屏有外力作用时，CPU产生中断，系统便进入坐标读取任务。触摸屏坐标读取的流程图如图6所示[8]。为了保证读取坐标的准确性，系统每获取一次坐标的过程中，实际上分别对X坐标和Y坐标进行10次读取，然后结合中值滤波法和平均滤波法，通过对读取数据的存储，去掉最大值和最小值，剩下的数据取其平均值，便得到当前实际的坐标值。