治疗呼吸机控制系统的硬件设计
摘 要
本文阐述了一种ICU使用的治疗呼吸机控制系统的电路。该电路由信号采集、信号处理及驱动控制几部分组成。该电路通过信号采集电路将流量传感器、压力传感器及氧浓度传感器的小信号放大，经过信号处理电路，设计合理的截止频率，获得有用信号，然后通过CPU（LPC2138）进行数据分析，计算出呼吸机需要的流速、压力、氧浓度以及其它相关呼吸参数，与通过设置呼吸模式来决定的呼吸机系统的控制目标进行比较，利用呼吸动力学数学模型，运用PID控制算法进行闭环实时控制。该电路已成功应运于某国产高端治疗呼吸机上，大大提高了国产呼吸机的技术性能。
【关键词】呼吸动力学 呼吸机 PID算法
1 工作原理
呼吸机的控制系统主要由流量传感器、压力传感器、氧浓度传感器、差分放大电路、有源滤波电路、模数转换电路、单片机系统、数模转换电路，V/I变换电路及电流驱动电路等组成。当呼吸机工作时，气流流过压差装置，在该装置两侧形成一定得压差，这个压差通过气体管路传递到压差传感器，最终用于计算呼吸气道内的流量。压力传感器内部为惠斯顿电桥设计，一端同呼吸机气道连接，另一端同大气相通，当气道压力发生变化时，压力传感器电桥发生不平衡，输出相应信号。氧浓度传感器是利用化学原理来测量气体所含氧分压，该信号输出与氧分压成线性关系。各传感器的信号经过差分放大电路进行放大，通过有源滤波电路来滤波处理，最后经过模数转换电路转换为数字量进行计算处理，最终单片机系统依据采集到的数据，运用呼吸动力学方程，选择最优的控制策略，通过数模转换电路、V/I变换电路及电流驱动电路发出控制指令来实现闭环自动控制。
2 电路设计
2.1 单片机系统LPC2138
LPC2138 是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16 位ARM7TDMI的微控制器，并带有512 kB 的嵌入的高速Flash 存储器。该芯片集成了多个32 位定时器、1路10 位DAC、6个PWM 通道和47 个GPIO 以及多达9 个边沿或电平触发的外部中断，16 个模拟输入10 位A/D 转换器，每个通道的转换时间低至2.44us。同时，32kB的片内静态RAM以及通过片内PLL 可实现最大为60MHz的CPU操作频率，使LPC2138可以轻松运行实时操作系统，保证呼吸机控制系统的实时性。
2.2 差分放大电路
压差式流量传感器及压力传感器工作原理相似，输出电阻的典型值为2k左右，差模输出信号范围均为毫伏级，然而，它们的输出信号对地的共模电压能...
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