基于STM32的电动洗胃机校准装置的设计与实现

周 懿,陈爱军

(中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)

电动洗胃机作为各医疗单位、急救中心十大常用急救设备之一,常用于抢救食物中毒、酗酒和服毒患者[1]。它利用气泵作为动力源,通过自控电路控制电磁阀换向,先吸出胃内毒物,随后将药液注入胃中进行洗胃的过程。通过洗胃能够迅速清除患者胃中的内容物,减少有毒物的吸收和刺激,为患者的术后抢救打下坚实的基础。经实地调研发现,各医院中的电动洗胃机长期未经校准,一旦电动洗胃机的压力或流量输出过高就可能会导致患者胃出血甚至胃破裂[2],严重危害患者的生命安全,引发医疗事故。

目前尚未见到国外有关电动洗胃机校准方面的相关研究。国内相关研究也极少,仅有上海计量测试技术研究院的黄莉等人提出了一种电动洗胃机的检测方法,并对该方案进行了不确定度评定[3]。

由于国家未出台洗胃机的校准规范,生产厂家只能依靠医药行业标准YY 1105—2008《电动洗胃机》对生产的洗胃机进行质量控制,使用单位也只能将洗胃机送至专门的检测机构进行校准,校准过程不仅难度较大,而且周期长。

为保障患者的安全,本文设计了一款以STM32单片机作为控制核心的电动洗胃机校准装置,能够实时采集并显示电动洗胃机运行时介质的压力和流量两种参数,在二者的基础上通过软件运算得出电动洗胃机的输出最大压力、平均流量等数据,也可利用串口线将数据发送至上位机,进行显示、存储和数据处理等操作,也将评判指标以报表的形式打印出来。

1 电动洗胃机校准原理

1.1 校准装置工作原理和技术指标

1.1.1 工作原理

将校准装置安装在电动洗胃机的胃管上,开启洗胃机和校准装置后,由于洗胃机内部气泵的充气和吸气的动作,胃管中会流过药液和胃液。安装在校准装置主管路中的传感器会采集相应数据,经过处理电路转换后将即时的压力和流量数据显示在校准装置的串口屏上。校准连接示意图如图1所示。

图1 校准连接示意图Figure 1 Calibration connection diagram

1.1.2 校准装置技术指标

根据医药行业标准YY 1105—2008《电动洗胃机》中要求,电动洗胃机额定最大工作压力,其压力绝对值应该在47～67 kPa之间,口腔插管平均流量不小于2 L/min,且仪器工作压力变化应不大于±5 kPa[4]。仪器工作压力变化是指:电动洗胃机循环运行时,在两次相邻的洗胃循环周期中,同时刻的压力输出最大压差值不能超过±5 kPa。

为保证校准效果,校准装置的量程应覆盖洗胃机的输出量程。故将主要技术指标设置如表1所示。

表1 技术指标Table 1 Technical index

1.2 参数校准原理

1.2.1 压力校准原理

电动洗胃机冲液和吸液时会产生正负压的交替变换,故本装置选用了德国GE德鲁克品牌,能够测量-100～100 kPa正负压的应变片式压力传感器。当液体流经探头处时,压力会使得应变片产生形变,阻值改变导致内部电桥电路失去平衡,就会输出相应的信号。图2为电桥电路图。

图2 电桥电路图Figure 2 Bridge circuit diagram

1.2.2 流量校准原理

由于电动洗胃机输出的流量为微小流量,其输出接口的公称通径为DN8,故选用上海丝亚LC-W系列的微型齿轮流量计。微型齿轮流量计通过齿轮啮合与内腔壁形成一个固定体积的小空间,通过计算一定时间内走过固定体积的个数来计算流过的总体积。计算公式如式(1)所示:

(1)

式(1)中S为流速,L/min;Q为总体积,L;v为齿轮与腔壁构成的体积,L;n为固定体积个数,t为流量计工作时长,min。

微型齿轮流量计内部结构如图3所示。

图3 微型齿轮流量计内部结构图Figure 3 Internal structure diagram of micro gear flowmeter

1.2.3 气泡检测原理

进行校准工作时,管路以及工作腔内会存在一定的空气。由于气体的可压缩性,校准时会影响校准效果,使结果产生较大的误差。因此校准工作前需将管路的空气排出。

本装置利用超声波气泡检测仪对气泡进行检测,超声波在均匀介质中按照直线方向进行传播,遇到气泡时会发生散射的现象,接收到的反射能量就会较大。该检测方法对管路材质无要求,灵敏度高,可靠性好。超声波检测原理如图4所示。

1—发射端超声波换能器;2—传感器与管路间隙;3—液体;4—接收端超声波换能器;5—液体中的气泡;6—传感器外壳壁图4 超声波检测原理Figure 4 Principles of ultrasonic testing

由于电动洗胃机和校准装置机械上的设计,其内部的空气不可能完全排尽,故设置气泡体积的阈值为15 μL,当一段时间内检测到的气泡体积小于15 μL时视为气泡已排尽,即可开始校准工作。

2 总体方案设计

校准装置采用STM32F407ZGT6微处理器作为控制核心。该装置主要具有以下功能:(1)能够采集电动洗胃机输出介质的流量和压力数据;(2)能够实时数据以及经计算处理后的数据显示在串口屏上;(3)采集到和处理过的数据能够进行存储,能够和计算机进行数据通信;(4)利用上位机软件将校准数据整理并生成一个校准报表。本系统的结构框图如图5所示。

图5 校准系统结构框图Figure 5 Block diagram of calibration system

3 装置机械设计

校准装置内部结构如图6所示:

1—宝塔头1;2—气泡检测仪;3—压力传感器;4—电磁阀;5—流量计;6—宝塔头2;7—串口显示屏。图6 校准装置内部结构Figure 6 Internal structure of the calibration device

各部件之间通过螺纹和生料带进行连接,保证在校准的过程中液体不会渗漏。气泡检测仪用于检测管路中存在的气泡;压力传感器用于采集介质的压力数据,电磁阀用于截断介质的流通以采集最大输出压力;流量计用于采集即时流量数据。电动洗胃机所使用的胃管为DN8的透明软管,为了方便的拆装,装置使用了DN8的宝塔接头。显示屏用于显示即时数据。

4 硬件电路设计

硬件电路部分包括STM32最小系统、电源电路、信号转换电路、电磁阀控制电路。

4.1 STM32最小系统

校准装置的控制系统采用ST公司的STM32F407ZGT6芯片作为MCU,该芯片带有FPU的ARM32位的Cortex-M4 32位MCU,主频高达210DMIPS,1MB闪存和192+4KB的SRAM。多达17个定时器,140个具有中断功能的I/O端口。

4.2 电源电路

校准装置采用24V直流电源供电,但装置中不同元件供电电压不同。为解决电压转换以及电压压降过大而引起的发热问题,故利用LM1117-3.3、7815、LM2596这些芯片组成的多级降压电路将24V电压分别转换成12V、5V和3.3V[5],对系统进行供电。

4.3 信号转换电路

4.3.1 压力流量信号检测电路

校准装置中使用的两个传感器输出均为标准信号4～20 mA电流。但主控芯片不能直接处理电流信号。为将电流信号转换为主控芯片能够识别的电压信号,装置选用共模抑制比可到达85 dB,共模输入范围达±40 V电流转电压芯片RCV420,先将电流信号转换成0～5 V电压,再通过电阻将0～5 V电压降为0～2 V。由于压力传感器和流量信号输出相同,故使用相同的信号采集电路。压力流量信号检测电路如图7所示。

图7 压力、流量信号检测电路Figure 7 Pressure and flow signal detection circuit

4.3.2 AD转换电路

德州仪器公司生产的AD转换芯片ADS1115[6]将模拟电压转换成数字信号供单片机读取,AD转换电路图如图8所示。本装置选用了15位数字信号的处理方式,芯片基准电压为2.048V,输入电压x和输出数字量y对应的关系式为:

图8 AD转换电路Figure 8 AD conversion circuit

(2)

4.3.3 气泡检测电路

气泡检测仪输出为0～5 V的TTL信号,装置采用光电耦合器件TLP521作为实现电气隔离的传输中介[7]。该器件内部通过左侧的发光二极管通电发亮,由右边的感光器件接收到光后再将光转变为电信号进行输出,实现电气隔离。检测电路如图9所示。

图9 气泡检测电路Figure 9 Bubble detection circuit

4.4 电磁阀控制电路

校准的指标中需要采集电动洗胃机输出的最大压力,故在校准装置主管路中添加了电磁阀,通过单片机以间接的方式控制电磁阀截断液体流动后,采集最大压力的数据。电磁阀控制电路如图10所示。

图10 电磁阀控制电路Figure 10 Solenoid valve control circuit

4.5 人机交互电路

校准装置通过利用串行通信的方式将STM32单片机与显示屏连接,用户通过屏幕输入指令,STM32单片机接收后即执行指令对应的程序。人机交互电路如图11所示。

图11 人机交互电路Figure 11 Human-computer interaction circuit

5 软件设计

5.1 下位机软件

下位机软件部分采用模块化设计。STM32单片机依据串口屏输入的指令进行相应的操作子程序。子程序主要有AD转换程序,人机交互程序,串口通讯程序。软件运行具体流程如12所示。

图12 下位机软件流程Figure 12 Lower computer software flow chart

其中,利用采集到的瞬时流量数据进行积分运算可得平均流量,而最大压力差的计算则需要将压力数据根据循环数进行分组,然后进行处理。

5.1.1 主程序

主程序主要用于调度其他子程序的工作顺序,协调子程序工作过程,从而保证校准装置的正常运行。图13为主程序流程图。

图13 主程序流程图Figure 13 Main program flow chart

5.1.2 AD转换程序

系统开启时,首先对ADS1115进行初始化,之后对ADS1115的16位配置寄存器进行设置。配置寄存器设置完成后,STM32单片机将写指令0X90写入ADS1115中,ADS1115将数字信号写入转换寄存器中,然后再向ADS1115中写入读指令0X91后,即可读取转换寄存器中的数字信号,得到最终转换结果。

ADS1115的程序流程如图14所示。

图14 ADS1115程序流程图Figure 14 ADS1115 program flow chart

5.1.3 人机交互程序

校准装置所使用的串口屏带触摸功能,可通过屏幕操作对单片机发送指令,执行相应功能。人机交互程序功能图如图15所示,串口显示屏主界面如图16所示。

图15 人际交互程序流程图Figure 15 Flow chart of interpersonal interaction program

图16 显示屏主界面Figure 16 Display main interface

5.2 上位机软件

上位机软件利用LabVIEW软件作为平台进行编写。利用功能强大LabVIEW图像编程功能实现数据处理判断及报表生成等功能[8]。上位机的主要功能有显示和保存由下位机上传的数据,收集到一定的数据量之后对数据进行处理,将采集到的参数指标与相关标准指标进行对比,并将检测到的指标、标准指标及其合格与否的信息通过文档模板生成一个报表。上位机软件主界面、上位机软件流程、报表模板如图17～图19所示。

图17 上位机软件主界面Figure 17 Host software main interface

图18 上位机软件流程图Figure 18 PC software flow chart

图19 报表模板Figure 19 Report template

6 实验与分析

6.1 实验方法

将研制的电动洗胃机校准装置接入标准装置,压力校准实验采用标准表法,标准器械采用准确度等级为0.01级的数字压力计,通过数字压力计输出标准压力,选择0～100 kPa内每隔10 kPa为一个点所划分的11个点对装置进行校准。

流量校准实验采用容积法[9],采用精度等级三级的电子秤、日差±0.5 s的电子秒表、±1分度值的二等标准密度计。利用稳压罐输出稳定水流通过装置后流入容器内并用秒表计时1 min,电子秤称重、密度计计算密度后得出容器内液体的体积。通过阀门控制流速,选取2～10 L/min内以2 L/min为间隔的5个点进行了校准。

6.2 实验数据分析

装置压力校准数据如表2所示,装置流量校准数据如表3所示。

表2 压力校准数据Table 2 Pressure calibration data

表3 流量校准数据Table 3 Flow calibration data

分析以上实验数据表明,压力的示值误差小于量程的0.5%即1 kPa,流量的示值误差不大于示值的0.5%,符合设计要求,同时符合国家洗胃机医药行业标准。

7 结 语

本文针对现有电动洗胃机校准情况的不足,研制出可对电动洗胃机输出的压力、流量、最大压力差和平均流量进行校准的校准装置。分析了行业标准的要求和电动洗胃机的运行方式,设计相应的数据采集方法,并针对校准装置的硬件电路和软件进行了设计、制作与编写,最终组成的样机实现了集采集、处理、显示、上传以及校准结果报表打印等功能于一体,从而简化了操作,提高了校准效率。最后对样机进行了标定实验,结果表明该装置符合设计技术指标,压力和流量的示值误差皆不大于量程的0.5%,数据有较高的可信度。该装置可广泛应用于各大医院中的洗胃机的术前使用的校准。