基于STM32F745 的电动气压止血仪的研制

2021-05-20孙磊，张立

现代电子技术 2021年10期

孙磊，张立

（1.中国矿业大学网络与信息中心，江苏徐州 221000；2.徐州医科大学医学信息与工程学院，江苏徐州 221000）

0 引言

电动气压止血仪是医院手术室必备的设备，该仪器通过气压压缩气囊或袖带，进而控制患者四肢的血流量，达到止血的目的[1]。随着医学技术的进步，电动气压止血仪在临床治疗中的作用得到了更大的认可[2]。然而，现有的单气囊电动气压止血仪存在操作繁琐、压强输出精度低、稳定性差以及容易造成肢体损伤等问题[3]。ATS⁃5000A 型电动气压止血仪稳定性强，但是该型号的电动气压止血仪采用薄膜按键，操作步骤繁多，人机交互性差；ATS⁃1000A 型电动气压止血仪的压强输出精度低，对其频繁操作后，会出现异常状态；ATD⁃4000B 型电动气压止血仪也存在压强输出精度低的问题；单气囊型的电动气压止血仪普遍存在容易造成患者肢体损伤的问题。随着处理器技术、传感器技术、软件工程与网络技术等的发展，为设计并研制新型电动气压止血仪提供了可靠方案[4⁃5]。本文旨在利用芯片技术、传感器技术、软件工程技术等[6]，设计并研制一款新型电动气压止血仪，以改善现有电动气压止血仪存在的人机交互性差、压强输出精度低与稳定性差等问题。

1 电动气压止血仪硬件设计

1.1 电动气压止血仪整体功能设计

电动气压止血仪硬件部分包括STM32F745 处理器与外围驱动电路、电源管理模块、功能按键电路、气压传感芯片、无线信号传输芯片、串口通信电路与继电器模块等。如图1 所示，STM32F745 处理器是电动气压止血仪的控制中枢，负责系统的调度；继电器、微型电机与气泵的组合能够对止血带气囊充放气，实现止血的功能；MS5611 气压监测芯片可以实时检测气囊中的压强值，这是电动气压止血仪实现智能充放气的基础；ESP8266无线信号传输芯片可以将电动气压止血仪的实时状态与采集到的气囊压强信息转发到服务器，实现多终端实时监测与后续对止血过程的研究；MAX3232CES 芯片能够实现串口通信，是液晶屏与主处理器之间的信号传输通路，进而实现电动气压止血仪的人机交互功能。

图1 电动气压止血仪硬件功能框图

1.2 主处理器与驱动电路设计

电动气压止血仪的主处理器为意法半导体的STM32F745 芯片。采用了意法半导体ART Accelerator加速器与一级高速缓存的STM32F745 芯片是一款超高性能的处理器[7]。此外，STM32F745 为ARM 体系架构，采用Cortex⁃M7 内核与Multi⁃AHB 总线矩阵，支持μClinux（Micro⁃Conrol⁃Linux）系统[8]。STM32F745 芯片工作电压为3.3 V，功耗低，内置资源丰富[9]。图2 是STM32F745 芯片及其驱动电路图。STM32F745 的驱动电路由复位电路、在线程序调试接口电路、芯片驱动辅助电路与晶振电路等构成。STM32F745 芯片内部写入了已经编译的电动气压止血仪系统程序。在电动气压止血仪启动后，按照系统程序执行各项事件。

1.3 电压转换电路设计

电动气压止血仪的电压管理电路由芯片LM2596S⁃5.0 与LD1117⁃3.3 组成。整个电动气压止血仪包括24 V、5 V 与3.3 V 共三种类型的直流电压。这三种直流电压满足了电动气压止血仪上全部元器件与功能部件的电压需求[10]。LM2596S⁃5.0 芯片与LD1117⁃3.3 芯片之间是级联关系，LM2596S⁃5.0 的直流输出信号是LD1117⁃3.3 的直流输入信号，LM2596S⁃5.0 的直流输入信号是适配器的24 V 直流电压。24 V 输出电压为充放气功能电路提供工作电压，5 V 输出电压为液晶模块与充放气功能电路部分元器件等提供工作电压，3.3 V 输出电压为STM32F745、MAX3232、MS5611 与ESP8266 等提供工作电压。24 V、5 V 与3.3 V 电压作为信号源也能够为三极管电路提供逻辑信号[11]。图3 为电压转换电路图，其中，LM2596S⁃5.0 及其驱动电路由100 μH 的电感L1，二极管IN5822，电容C7，C8与C9组成。LD1117⁃3.3 及其驱动电路由极性电容C10与C12，普通电容C11与C13组成。整个电压转换电路简洁高效，能满足电动气压止血仪上元器件的电压需求。

图2 STM32F745 主处理器与驱动电路图

图3 电压转换电路图

1.4 充放气功能电路设计

电动气压止血仪的充放气功能模块由继电器控制电路、电磁阀控制电路、微型电机（U4）、气泵（U5）、电磁阀（U6）、通气管（U7）与气囊（U8）组成，图4 为充放气功能电路图。其中，继电器控制电路调控微型电机；微型电机与气泵连接，调控气泵；电磁阀位于气泵与通气管的连接处，是气泵与通气管之间的开关，可通过电磁阀控制电路进行调控；通气管与气囊连接。继电器控制电路与电磁阀控制电路的构成元件包括电阻、发光二极管、三极管8550、三极管IRF540 与闭合开关等。本文设计的电动气压止血仪采用双气囊，另一个气囊的控制电路与图4 相同。

图4 充放气功能电路图

1.5 气压强度采集与液晶显示电路设计

图5 为气压强度采集与液晶显示电路图，该电路由LCD、MAX3232 及其驱动电路、MS5611 及其驱动电路组成。其中，MS5611 为MEAS 瑞士分公司生产的气压信号采集芯片，其工作电压[12]为3.3 V。MS5611 具有SPI与I2C 两种数据传输协议，能输出24 位高精度数字压力值。MS5611 芯片负责采集气囊中的气压值，并将采集到的数据转发给电动气压止血仪主处理器；主处理器通过MAX3232 通信芯片将数据转发到LCD 上。通过LCD医护人员就能实时观测到气囊中的气压值，进而提升电动气压止血仪在使用过程中的安全性。

图5 气压强度采集与液晶显示电路图

1.6 无线信号传输电路设计

为了实现将电动气压止血仪采集的气囊压力数据转发到监测终端，设计并实现ESP8266 无线信号传输电路。ESP8266 的工作电压为3.3 V，支持IEEE 802.11b、IEEE 802.11g 与IEEE 802.11n 无线标准，无线传输速率[13]最高可达54 Mb/s。图6 是ESP8266 芯片及其驱动电路，该电路由复位电路、工作状态指示电路等组成。ESP8266 通过串口通信的方式接收主处理器转发来的气囊压力值。然后，通过WiFi 通信的方式，将ESP8266气囊气压数据转发到各监测终端。ESP8266 芯片的驱动电路简洁、功耗低、误码率低，能够满足电动气压止血仪无线数据传输的需求。

图6 无线信号传输电路图

2 电动气压止血仪系统软件设计

电动气压止血仪的中央控制芯片为STM32F745，采用的操作系统为μClinux。μClinux操作系统是Linux 2.0/2.4内核被裁剪优化得到的[14]。μClinux 操作系统体积小、稳定，具有良好的移植性与强大的网络性能[15]。图7所示为电动气压止血仪软件工作流程。在给电动气压止血仪上电后，电压转换电路开始正常工作，并为电动气压止血仪主板上各芯片提供工作电压。接着，主处理器STM32F745 芯片初始化，运行μClinux 操作系统。在此基础上，初始化气压监测芯片、液晶显示芯片、无线信号传输芯片与串口通信芯片等。当所有硬件芯片与μClinux 操作系统初始化完成后，μClinux 开始检测无线传输网络信号，完成无线网络的连接。此时，医务人员选择合适的止血带，固定在人体相应部位。同时，根据液晶显示器的提示设置电动气压止血仪的压力、工作时间等参数。在完成设置后，液晶显示器会提醒“已经进入就绪状态，可以开始手术”。触发“开始手术”的按键后，电动气压止血仪就进入正常工作状态，自动为止血带充气到设定气压值。气压监测芯片在整个电动气压止血仪的工作过程中会实时监测气囊中的气压值，并将信息转发到医务人员终端处，实现多终端实时监测。当手术结束时，触发电动气压止血仪的“手术结束”按键，电动气压止血仪便会自动为止血带放气。在完成本次手术后，电动气压止血仪进入“等待状态”，等待下一次“手术开始”事件的触发。

3 无线信号传输性能测试

测试时，部署10 台已经完成的电动气压止血仪（命名为SB1～SB10）、1 个网关节点、1 台服务器（固定终端：终端A）、1 部手机（移动终端：终端B）。其中，移动终端与10 台电动气压止血仪都在同一个无线局域网内，固定终端与网关节点之间用网线直连。10 台电动气压止血仪按照相同的时间间隔，依次独立发送5000 个数据包，固定终端与移动终端根据数据包的名称分别统计获取到每台电动气压止血仪的数据。根据统计信息得到表1 监测终端丢包率的信息。测试结果表明，固定监测终端的丢包率为0.16%，移动监测终端的丢包率为0.18%，无线通信可靠。