基于STM32的便携式压力测痛仪的设计

陈晓娟，霍晓良，张舒

东北电力大学信息工程学院，吉林市，132012

基于STM32的便携式压力测痛仪的设计

【作 者】陈晓娟，霍晓良，张舒

东北电力大学信息工程学院，吉林市，132012

针对现有疼痛检测设备体积笨重，不便于携带的局限性，设计了一种基于STM32的便携式高精度压力测痛仪。用高精度的压力传感器为主体的测压触头拾取压力痛信号。通过对放大电路和滤波电路等信号预处理，有效地滤除系统噪声。TFT-LCD实时显示被测的压力值，有效建立被测对象的压痛阈值。用USB接口将所得数据传输到PC机上存储，便于后续医生对疾病的诊断与治疗。

测痛仪；压痛阈值；便携式；STM32

0 引言

疼痛是复杂的多维人体感觉体验，往往与疾病相关[1]。迄今为止，疼痛仍是医学界无法解决的难题[2]。作为量化疼痛程度的方法之一，压痛阈值（Pressurepain threshold，PPT）是指持续增加非痛的压力刺激，直至人体达到疼痛感觉时的压力值，是压力下的最小疼痛值[3]，能够很客观真实地反映出被测对象的疼痛程度。目前，临床上经常采用具有无创、安全、以及具有较高可重测性等特点的压力测痛仪来拾取疼痛阈值[4]。但是有相关研究指出，现阶段部分测痛仪体积较大，携带不方便等问题[5]。考虑到以上一系列问题，设计出一种基于STM32的压力测痛仪，用以高精度的压力传感器为主体的测压触头能够精确检测出疼痛的阈值。TFT-LCD液晶显示器能够实时的显示被测对象的压力值。通过USB接口把相关数据传输到PC机，对数据进行储存及其分析。制定出疼痛的各类疼痛指标，为医生对患者的病情了解提供可靠地依据。

1 系统整体设计

压力痛信号为微弱信号，采用高精度医用压力传感器，经一级放大电路、滤波电路、二级放大电路后，将最终的压力信号送入STM32的A/D转换模块进行转换。TFT-LCD实时显示被测对象的压力值，电源电路为系统提供可靠的电源，SD卡用来完成数据的大容量存储，并建立文件系统，通过USB接口与PC机进行数据传输，利用PC机强大的数据处理能力对压力值数据进行分析处理。系统原理框图如图1所示。

图1 压力测痛仪原理框图Fig.1 Block diagram of pressure pain detector

2 系统的硬件设计

系统主要分为三大部分：压力信号的采集，主要完成对压力信号的拾取；放大电路和滤波电路，用于处理采集到的压力信号，使之能够达到处理要求；STM32处理器完成对压力信号的显示、存储、分析和数据传输的工作。

2.1 压力信号的采集

压力传感器是压力测痛仪系统的一次元件，因此压力传感器的精度将决定整个系统的精度。压力测量采用型号为SCC15GD的霍尼韦尔压力传感器，该传感器具有精度高、温漂小、内部温度补偿以及体积小等特点，适合在医疗领域对疼痛的测量，性能稳定可靠。压力信号采集电路主要包括放大电路、滤波电路两部分。在本设计中，压力传感器采用1 mA恒流源供电。当压力值变化为0～14 psi(1 psi=6.89 kPa)时，压力传感器的输出电压范围为(0～40) mV，而STM32的ADC输入端的参考电压为2.5 V，通过分析，电桥输出的电压值放大的倍数定位60倍。由于被测信号为强干扰下的微弱信号，需要采用两级放大电路，第一级放大电路放大倍数不易过高，通过分析，10倍的效果比较理想。第一级放大电路后面连接低通滤波器，以滤除空间中存在的电磁噪声和系统元件自身产生的噪声等。第二级放大电路的放大倍数为6倍。具体电路如图2所示。

图2 压力信号采集电路Fig.2 Pressure signal collection circuit

第一级放大电路直接与传感器连接，因此第一级放大电路必须具备高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声以及低温漂等特性，选择用INA128作为一级放大器。INA128非常适合作为医疗仪器的前置放大器使用，该放大器的特点为差动输入、单端输出。增益的大小由外接滑动变阻器决定，其公式为：G=1+50k/Rg，使第一级放大电路增益为10倍。

低通滤波电路采用八阶椭圆形开关电容滤波器MAX293实现。MAX293为切比雪夫型滤波器，非常适合应用于数据系统中，性能优良，参数调整方便，可通过一个外接电容改变低通滤波器的截止频率。第二级放大电路选用运放TL082，所得电压信号有STM32进行AD转换。

2.2 电源管理模块

电源电路是整个系统的心脏，电源电路的好坏对整个系统的安全、正常、可靠运行至关重要。整个系统采用9 V电池供电，微处理器STM32和TFT-LCD等芯片的工作电压为3.3 V，而部分元件的工作电压为5 V和-5 V，如INA128、MAX293等。系统中各元件的工作电压存在差异，因此电源模块必须能提供多种电压，在本设计中，采用三个DC-DC转换电路来实现这些功能。首先用AMS1117-5.0芯片将9 V转换成为5 V，再用另一个AMS1117-5.0芯片将9 V转换为5 V，同时将这个电路输出的5 V反接得到了-5 V电压，用一个AMS1117-3.3芯片将5 V转换成3.3 V，从而得到了供给系统工作的3种电压。图3与图4为电压转换电路图。

图3 AMS1117-5.0电路图Fig.3 Circuit diagram of AMS1117-5.0

图4 AMS1117-3.3电路图Fig.4 Circuit diagram of AMS1117-3.3

2.3 STM32处理器及主要接口

STM32使用高性能的ARM Cortex-M3 32 bit的RISC内核，在构架上进行多项改进，包括提升性能的同时又提高了代码密度的Thumb-2指令集，大幅度提高中断响应，而且所有新功能都同时具有业界最优的功耗水平[6]。STM32最高72 MHz工作频率，128 kB的闪存程序存储器、20KB的SRAM和丰富的I/O端口，包括12 bitD/A转换器、3个USART、2个SPI、2个I2C、3个16 bit定时器和2个PWM定时器，一个USB和一个CAN接口[7]。此处理器的高集成度大大简化了外围电路，从而增强了系统的可靠性和扩展性，降低了监测系统的成本。

2.3.1 TFT-LCD液晶接口设计

选用TFT-LCD来实时显示被测的压力值，STM32的FSMC模块用来控制液晶的显示。FSMC即可变静态存储控制器，是STM32系列采用一种新型的存储器扩展技术。STM32的FSMC接口支持包括SRAM、NAND FLASH、NOR FLASH和PSRAM等存储器[8]。其主要功能是将AHB传输信号转换到适当的外部设备协议，满足访问外部设备的时序要求，以及时序可编程以支持各种不同的器件。STM32把液晶当做外部存储设备来使用，配置好读写及控制信号时序，只要指定指针就可以实现对液晶的读写访问[9]。接口电路如图5所示。

图5 液晶接口电路图Fig.5 Circuit diagram of LCD interface

2.3.2 USB数据传输设计

为了实现数据的进一步分析，通过USB接口把采集的压力数据上传到PC机上，利用PC机强大的数据处理能力对压力值数据进行分析处理。STM32片上集成了USB接口，在高速通信模式下通信速率高达12 Mbps,能够将所采集到的压力信号数据实时传输到PC机便于对数据的分析及其保存。也可读取SD卡中所保存的数据。USB接口电路如图6所示。

图6 USB接头电路图Fig.6 Circuit diagram of the USB connector

3 软件设计

程序采用 C 语言编写，采用JTAG 对程序进行调试，开发环境为 Keil uVision4。本设计中用 N/cm2来表示压痛阈值的单位[10]。系统上电后，首先对STM32内部进行初始化，初始化完毕直接进入采样状态，主要调用ADC转化模块将采集到的信号转化成数字信号，然后传给MCU，并由MCU进行相应的处理，由TFT液晶显示器显示其被测压力值，采样结束后，如果压力传感器没有出入信号，则系统自动进入掉电模式，等待下一次被唤醒。主程序流程图及ADC中断流程图如图7、图8所示。

图7 系统软件主流程图Fig.7 Main fowchart of system software

图8 ADC中断子流程图Fig.8 Sub fowchart of ADC Interrupt

4 测试结果分析

将压力传感器连接的触头按压在被测对象的皮肤上，当患者感到疼痛时，通过系统功能按键将压力数据锁定在液晶显示器上。此刻的压力值即为被测对象的疼痛阈值。TFT-LCD可清晰、稳定地显示被测对象的实时压力值，能够满足实际的医学应用需求，为今后疼痛疾病的治疗提供可靠的依据。

5 小结

本文以STM32为控制核心，开发出一种高精度压力测痛仪，该仪器为确定被测对象的疼痛阈值提供了准确的依据，其性能良好，操作简单，稳定性好。丰富的内部功能模块，标准、先进的通信接口以及TFT-LCD动态显示功能，使得整个检测仪器具有体积小、低功耗的特点，满足便捷式设备的基本特点，这种便携式压力测痛仪能够精确检测出疼痛的阈值。通过系统检测及临床数据分析，制定出各类疼痛指标，为医生对病情的判断提供可靠的依据，使疼痛疾病的治疗更系统化、客观化。

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[10] 梁春燕, 田学隆. 基于拉压力传感器的压力测痛仪设计[J]. 传感器与微系统, 2013, 32(3): 104-109.

Design of Portable Pressure-pained-detector Based on STM32

【Writers】Chen Xiaojuan, Huo Xiaoliang, Zhang Shu
College of Information Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, 132012

etector, PPT, portable, STM32

TN710

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.05.006

1671-7104(2014)05-0333-04

2014-03-17

国家自然科学基金项目（61271115）

霍晓良，E-mail: 79275662@qq.com

【 Abstract 】In accordance with the bulky volume and not easy to carry of pain detection equipment limitations, designs a kind of portable high-precision dolorimeter based on STM32. Using the high precision pressure sensor pressure contact as the main body to make the pressure pain signals. Through the signal preprocess of the amplifying circuit and the flter circuit, to eliminate the system noise effectively. Use the TFT-LCD to display the real-time measured pressure value, and establish a pressure pain threshold of the object. The USB interface transmits the data to PC to store, and it’s benefcial to the diagnosis and treatment of subsequent.