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医疗电子嵌入式实验平台设计

2020-03-14 23:10医疗电子 人已围观

简介本文研制了一套功能全备的医疗电子嵌入式实验平台,该平台采用目前市面上流行的基于 Cortex-M3内核的STM32 嵌入式单片机作为主控芯片,配合多种嵌入式系统通用...

  本文研制了一套功能全备的医疗电子嵌入式实验平台,该平台采用目前市面上流行的基于 Cortex-M3内核的STM32 嵌入式单片机作为主控芯片,配合多种嵌入式系统通用技术模块,同时加入了生物医学工程专业特色的医学生理参数模块。
  

  1 平台系统设计

  
  本实验平台采用意法半导体公司 STM32 嵌入式单片机,作为一款工业领域常用的微控制器,该芯片高性能、低成本、低功耗等优点,在实验教学中具有很强的实用性。平台外部搭载触控液晶屏、7 段数码管、流水灯、蜂鸣器、RGB、键盘、步进电机、蓝牙、WIFI等通用性实验模块,同时配置了血压、心电、血氧饱和度、体温等生理参数模块见图1。
  图1 系统功能模块
  图1 系统功能模块
  
  1.1  基于 Cortex-M3内核的最小系统模块
  
  该平台的最小系统模块由基于 Cortex-M3 内核的 STM32F103ZET6 嵌入式单片机、多 通道电源模块、晶 振 和 RST 等 组 成。 该 单 片 机 内 置 512 kB Flash,最高支持72 MHz工作频率,内置4 个16 位定时器,12通道的 DMA 控制器,3 路12 位 AD 转换器,并有多达 112 个快速 I/O 端口,支 持 I2 C、UART、 CAN、USB 等多种通信接口。鉴于该单片机在工业领域应用的广泛性,本平台特意选取其为主控芯片。
  
  系统的电源部分采用24 V/3 A 电源适配器进行外部供电,其输出功率保证了实验平台各种大功率器件(步进电机、触控液晶屏等)正常运行。平台内部电源模块采用 LM2596和 AMS1117等不同类型的电源芯片,形成+24V、+12 V、+5 V、+3.3 V、+1.8 V等电源网络。需要注意的是,功率器件和普通IC 器件在接地时,需要将两种地网络进行分开布线,并用磁珠进行隔离,以防止影响芯片的稳定性。
  
  1.2  输入控制模块
  
  系统的输入控制模块包括常用的矩阵键盘、拨位开关、和模拟/数字信号转换器等传统的通用技术模块,还增加了仪器中常见的光耦开关模块。该模块主要实现输入或者采集操作。
  
  1.3  输出控制模块
  
  本平台的通用输出控制模块功能十分强大,不仅包含通用的蜂鸣器、LED 流水灯、7段数码管等嵌入式实验平台常用部件,还增加了例如 RGB 灯珠、高精度步进电机驱动模块、彩色触控液晶屏等当今医疗电子设备中的常用器件。使学生在实验课中熟悉这些模块的控制和操作,以便在日后的工作中更好地运用。

  1.4  通信模块
  
  随着计算机技术的日益发展,传统单片机基于串口的单一通信模式已经不能满足社会对于电子产品的需求。针对此情况,本平台设计了多种通信模块,使学 生在学习时,不仅可以使用串口、USB 模块与上位机进行通信,也可以使用蓝牙、WIFI等无线通信模块,与手机、平板电脑进行协同开发。以多种通信方式开 发学生的创新思维,提升学生的综合竞争力。
  

  2 医疗电子部件设计

  
  本实验平台的医疗电子部件选用深圳大学生物医学工程实验中心自主研发的生理参数模块(见图2),其集成了血压、心电、血氧饱和度、体温、呼吸等多种测 量模块于一体的综合性功能模块,可同时完成多项生 命体征监测任务。该模块通过串口与主控芯片进行数 据传输,并可将测量结果显示在触控液晶屏上。
图2 实验中心自主研发的生理参数模块
  图2 实验中心自主研发的生理参数模块
 
  2.1  血压测量模块
  
  血压测量模块包括充气泵、电磁阀、压力传感器等装置,该模块具有收缩压、平均压、舒张压和脉率等参数的监测功能,血压测量范围可达0~300 mmHg,精度±2 mmHg。学生通过学习各种装置的使用来完成人体血压测量,并将袖带压、脉率数据实时显示到液晶屏上。
  
  2.2  心电信号测量模块
  
  心电信号测量模块采用3 导联独立通道,可同时监测3路心电数据,并带有1 路呼吸参数,2 路体温监测功能,可设置为诊断、监护、HARDEST 和手术测量模式,并支持心律失常诊断监护。学生在进行实验的同时,不仅可以将多路心电信号显示在液晶屏上,也可以通过蓝牙、WIFI等多种通信模块发送到电脑和手机上,为他们今后研发可穿戴医疗设备、POCT 型仪器等打下基础。
  
  2.3  血氧饱和度测量模块
  
  血氧饱和度测量模块采用基于红外光谱吸收的光学传感器,拥有脉搏氧、脉率和灌注指数的监测功能, 通过 AD 转换器与主控模块连接,可实时传输基于红外光谱吸收的脉搏波信号。该模块的测量精度可达± 2%,并且采用先进的抗运动算法,具有强抗运动性能。

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