基于STM32的醫(yī)用控溫毯控制系統(tǒng)的設(shè)計-設(shè)計文檔

孝感定原電子科技有限公司文檔編號產(chǎn)品版本密級產(chǎn)品名稱：基于STM32的醫(yī)用控溫毯控制系統(tǒng)的軟件共頁軟件設(shè)計說明書軟件詳細設(shè)計報告目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 3\o"CurrentDocument"詳細設(shè)計 3\o"CurrentDocument".1 軟件簡述 3\o"CurrentDocument"1.2 軟件功能描述 31.3 溫度檢測及顯示模塊設(shè)計 51.4 熱釋電紅外傳感模塊 71.5 GSM短信報警模塊 81.6PWM脈沖發(fā)射控制 錯誤!未定義書簽。\o"CurrentDocument"2編程協(xié)定 12\o"CurrentDocument"2.1 操作系統(tǒng) 12\o"CurrentDocument"2.2 調(diào)試工具 12\o"CurrentDocument"2.3 編譯鏈接工具 12僅供內(nèi)部使用軟件詳細設(shè)計報告摘要在臨床醫(yī)學(xué)上，往往需要對患者的全身或局部進行物理降溫或升溫治療。物理降溫治療中較為常見的是被廣泛應(yīng)用在神經(jīng)外科、ICU、神經(jīng)內(nèi)科等臨床科室的亞低溫治療；國際上將人體低溫劃分成三個范圍，分別是：輕度低溫33?35℃),中度低溫(17?27℃),超深低溫(2?16℃),其中將輕中度低溫(28?35℃)統(tǒng)稱為亞低溫［11。研究發(fā)現(xiàn)，由于外部溫度對腦組織細胞中與能量代謝相關(guān)的酶促反應(yīng)的影響比較明顯，在亞低溫狀態(tài)時酶促反應(yīng)變慢，其能量代謝能夠較正常狀態(tài)減弱60%,使得腦組織能更好的耐受血氧不足的狀態(tài)，這一特點使得亞低溫治療方法在治療中重型顱腦損傷等方面有著先天優(yōu)勢，大量的臨床應(yīng)用也表明亞低溫治療腦組織損傷患者成功率更高，且尚未發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的并發(fā)癥發(fā)生，具有令人滿意的安全性，目前國內(nèi)外將亞低溫治療應(yīng)用在重型和特重型顱腦損傷患者、廣泛性腦挫裂傷腦水腫、原發(fā)性和繼發(fā)性腦干傷、難以控制的顱內(nèi)高壓、中樞性高熱與各種原因?qū)е碌男奶E停等臨床病癥。物理升溫治療主要應(yīng)用在醫(yī)療手術(shù)及康復(fù)治療過程中，臨床研究表明，手術(shù)中或手術(shù)后會有較大的可能出現(xiàn)體溫過低的現(xiàn)象，引起如心律失常、呼吸系統(tǒng)損壞、腎功能衰竭等并發(fā)癥，對于全身麻醉時間較長的手術(shù)，需要做好相應(yīng)的保溫或升溫措施以保證手術(shù)過程中患者的體溫正常。以往在對病人進行物理降溫時常采用溫水、酒精擦浴，冰袋冷敷等方式，雖然操作簡單，迅速達到顯著的降溫效果，但是其溫度控制困難，難以維持，而且需要定時更換，加重醫(yī)護人員的工作量危險。近年來，具有升降溫功能的醫(yī)用控溫毯由于其便捷性與安全有效等特點而受到臨床醫(yī)生的青睞，一方面，醫(yī)用控溫毯的降溫功能可用于亞低溫治療，通過將控溫毯包裹患者的腦部或覆蓋患者的體表來降低患者的體溫，溫度安全可控，不會發(fā)生凍傷的危害；另一方面，醫(yī)用控溫毯的升溫功能可用于保溫或升溫治療，通過控溫毯覆蓋患者體表與患者進行熱交換實現(xiàn)患者體溫的保持或升高，以保證患者在手術(shù)中或手術(shù)后的體溫正常。且醫(yī)用控溫毯操作簡便，醫(yī)護人員只需簡單的操作就能實現(xiàn)自動控制并保持設(shè)定溫度，大大減輕了醫(yī)護人員的工作量。目前醫(yī)用控溫毯已經(jīng)在神經(jīng)外科、ICU、神經(jīng)內(nèi)科、急診科、血液科、兒科等臨床科室被廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞醫(yī)用控溫毯串口屏1詳細設(shè)計1.1軟件簡述控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是整個控制系統(tǒng)設(shè)計的核心工作，系統(tǒng)硬件的設(shè)計是為系統(tǒng)軟件設(shè)計服務(wù)的，控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)完全依靠于系統(tǒng)的軟件設(shè)計，系統(tǒng)軟件設(shè)計不僅要實現(xiàn)所要求的功能，也要有較好的實時性、易拓展性、易維護性等特點，這就要求在軟件設(shè)計前有充分的規(guī)劃，選擇并搭建好合適的開發(fā)平臺，并留有相應(yīng)的開發(fā)文檔1.2軟件功能描述1.2.1 軟件功能介紹本系統(tǒng)軟件設(shè)計包括兩部分，分別是控制系統(tǒng)軟件設(shè)計和操作界面軟件設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)的軟件設(shè)計使用C語言開發(fā)，并使用Keil公司的KeiluVision4集成開發(fā)環(huán)境(IDE)以及其內(nèi)置的RealViewMDK.ARM開發(fā)工具(版本為4.12),該開發(fā)工具支持ARM7、ARM9、Cortex-M3僅供內(nèi)部使用

軟件詳細設(shè)計報告/MI、Cortex.RI瓜4等ARM微控制器內(nèi)核。本控制系統(tǒng)軟件在嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）uC/OS.II（版本為V2.92.07）的基礎(chǔ)上進行開發(fā)設(shè)計。操作界面軟件設(shè)計采用液晶屏廠家的串12屏開發(fā)調(diào)試軟件VisualTFT（版本為V3.0）進行開發(fā)設(shè)計。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。1.2.2 軟件基本框架信號調(diào)理部分采用了模擬比較器輸入的結(jié)構(gòu)，下圖是本軟件的基本框架圖和主程序流程圖。圖一基本框架圖信號通過高速運放搭建的模擬比較器，比較器的比較電壓通過STM32F417的數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供，用于初始化進行噪聲采集，門限自適應(yīng)，這樣可以濾除存在于信道中的噪聲。若開機檢測到串口發(fā)送指令，則程序切換到USART串口收發(fā)模式，可以進行參數(shù)設(shè)定和數(shù)據(jù)的導(dǎo)出僅供內(nèi)部使用軟件詳細設(shè)計報告操作。信號經(jīng)過了模擬比較器后得到了一個標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，方波信號進入到多路輪詢模塊中進行通道切換。系統(tǒng)以C和匯編語言為編程語言。該系統(tǒng)通過傳感器對室內(nèi)環(huán)境條件進行檢測，檢測數(shù)據(jù)傳送給單片機，由單片機對數(shù)據(jù)進行處理并采取相應(yīng)措施。系統(tǒng)程序流程如圖3所示。系統(tǒng)啟動之后，首先進行初始化操作，為了能夠及時顯示溫度以及對非法入侵報警，系統(tǒng)采用中斷技術(shù)，使用單片機定時中斷TO,每隔500ms中斷一次。打開中斷后，系統(tǒng)開始進行工作，當(dāng)有人進入時，系統(tǒng)調(diào)用GSM短信發(fā)送程序，并進行蜂鳴器報警，為了讓報警產(chǎn)生效果，將報警時間延遲2分鐘。GSM發(fā)送短信程序設(shè)計的流程圖如圖4所示。圖二主程序流程圖1.3液晶任務(wù)模塊設(shè)計在獲取指令時，液晶顯示任務(wù)通過串口1的接收中斷接收來自觸摸液晶屏模塊的相關(guān)指令，串口l接受中斷將接收到的液晶屏指令推送到消息隊列中。消息隊列是uC/OS.II系統(tǒng)提供的一種通信機制，可實現(xiàn)多條消息的存儲與傳遞。在uC/OS.II系統(tǒng)啟動之前，主程序通過調(diào)僅供內(nèi)部使用軟件詳細設(shè)計報告用消息隊列建立函數(shù)建立了一個能存儲50個字節(jié)的消息隊列緩沖區(qū)，以存儲接收到液晶屏指令。當(dāng)液晶任務(wù)運行時，會先檢測消息隊列里有沒有液晶屏指令，并獲取接收到的液晶屏指令長度，如果指令長度不為0，則調(diào)用指令處理函數(shù)。在介紹指令處理函數(shù)之前，先介紹一下液晶屏指令的組成與格式。液晶屏指令屬于不定長指令，有四部分組成，分別是幀頭、指令、指令參數(shù)和幀尾。以切換畫面的指令為例，當(dāng)單片機發(fā)送EEB1000001FFFCFFFF給液晶屏模塊，就能實現(xiàn)畫面切換的功能，其中EE是幀頭，F(xiàn)FFCFFFF是幀尾，它們的格式是固定的，B100是指令部分，表示切換畫面指令，801是指令參數(shù)部分，表示需要顯示的目標(biāo)畫面ID，這兩部分的長度是不固定的。由于液晶屏指令存在固定的幀頭與幀尾，相應(yīng)的檢測函數(shù)只需識別幀頭與幀尾即可識別液晶屏指令。1.3.1 程序流程圖僅供內(nèi)部使用軟件詳細設(shè)計報告1.3.2 設(shè)備側(cè)實現(xiàn)液晶屏指令屬于不定長指令，有四部分組成，分別是幀頭、指令、指令參數(shù)和幀尾。以切換畫面的指令為例，當(dāng)單片機發(fā)送EEB1000001FFFCFFFF給液晶屏模塊，就能實現(xiàn)畫面切換的功能，其中EE是幀頭，F(xiàn)FFCFFFF是幀尾，它們的格式是固定的，B100是指令部分，表示切換畫面指令，801是指令參數(shù)部分，表示需要顯示的目標(biāo)畫面ID，這兩部分的長度是不固定的［32］。由于液晶屏指令存在固定的幀頭與幀尾，相應(yīng)的檢測函數(shù)只需識別幀頭與幀尾即可識別液晶屏指令。1.4傳感器任務(wù)模塊本控制系統(tǒng)中需要讀取的傳感器有DS18820、ADT7320、液位開關(guān)與ACS712四種，這四種傳感器都屬于被動型輸入設(shè)備，即不能產(chǎn)生中斷，必須有由單片機通過相應(yīng)的通信機制向傳感器發(fā)送請求，并獲取相關(guān)信號［60］。傳感器任務(wù)采用輪詢的方式依次與各個傳感器進行通信，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)與信號。僅供內(nèi)部使用

軟件詳細設(shè)計報告1.4.1 程序流程圖1.4.2 設(shè)備側(cè)實現(xiàn)在讀取各個傳感器數(shù)據(jù)的函數(shù)中，讀取ADT7320與讀取電流信號分別使用的是片內(nèi)的SP12外設(shè)與片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器，只需要在初始化時設(shè)置好相應(yīng)的寄存器，在使用是只需調(diào)用STM32固件庫提供的相應(yīng)函數(shù)即可獲取，軟件上實現(xiàn)比較方便；讀取水位信號的流程在介紹液位開關(guān)時已經(jīng)說明，此處不再贅述；在讀取兩路DSISB20溫度傳感器信號時，由于DS18820采用單總線協(xié)議與單片機通信，則需要軟件來實現(xiàn)單總線通信協(xié)議的時序。其復(fù)位、寫操作、讀操作時序。1.5測溫處理模塊DS18820的單總線命令發(fā)送方式是固定的，依次發(fā)送初始化命令、ROM命令、功能命令，每次訪問DS18820需嚴(yán)格執(zhí)行這個順序，否則將產(chǎn)生錯誤。其中初始化命令是指由程序發(fā)送的復(fù)位脈沖與DS18820響應(yīng)的應(yīng)答脈沖；ROM命令是與DS18820內(nèi)部唯一的ROM代碼有關(guān)，當(dāng)單總線上掛載多個DS18820時，該指令用于識別各個不同的DS18820；功能命令是指程序發(fā)送如轉(zhuǎn)換溫度、讀暫存器、寫暫存器等指令實現(xiàn)相應(yīng)功能。具體流程如下圖。僅供內(nèi)部使用軟件詳細設(shè)計報告1.5.1 程序流程圖1.5.2 設(shè)備側(cè)實現(xiàn)由于沒有使用單總線上掛載多個DS18820的硬件結(jié)構(gòu)，所以在程序中發(fā)送跳過ROM指令不需進行ROM匹配；由于在硬件電路設(shè)計中采用了隔離措施，在對DS18820實旋讀寫操作之前，需要通過相應(yīng)管腳輸出信號接通所要讀取的DS18820所連接的通道，并通過相應(yīng)管腳使能對應(yīng)的模擬電子開關(guān)CD4051之后才能進行命令或數(shù)據(jù)的讀寫操作；在讀取完溫度數(shù)值后，數(shù)據(jù)處理函數(shù)會對溫度數(shù)值采取一定的濾波處理，并判斷溫度值是否在所要求的范圍內(nèi)，否則的話講置位相應(yīng)的報警標(biāo)志。止匕外，在與DS18820進行通信之前，程序會檢測DS18820的存在，如果不存在將置位相應(yīng)的報警標(biāo)志。1.6控制任務(wù)設(shè)計控制任務(wù)的主要目的有兩個，一是自整定PID參數(shù)，一是根據(jù)設(shè)置溫度值與實際溫度值通過PID算法輸出相應(yīng)的PWM脈沖。僅供內(nèi)部使用軟件詳細設(shè)計報告軟件詳細設(shè)計報告1.6.1 子程序流程圖1.6.2 設(shè)備側(cè)實現(xiàn)首先需初始化片內(nèi)外設(shè)高級定時器1及其對應(yīng)管腳狀態(tài)，以輸出PWM脈沖，接著判斷控制模式，如果是PID模式則計算設(shè)定溫度值與實際溫度值的偏差，并根據(jù)偏差進入相應(yīng)的控制環(huán)節(jié)，在控制任務(wù)設(shè)計中，偏差大于3°C，則輸出占空比最大(95%)的PWM脈沖;偏差小于.1℃,則輸出占空比最小(15%)的PWM脈沖，并用繼電器切斷電路連接；偏差在.1℃?3"C之間時，則進入PID控制，最后將控制環(huán)節(jié)得到。的PWM占空比值寫入相應(yīng)寄存器輸出對應(yīng)的PWM脈沖，并調(diào)用系統(tǒng)延時函數(shù)延時2s,即PID控制的采樣時間為2s。如果是繼電反饋控制模式，則進行PID參數(shù)整定的功能。1.7控制任務(wù)設(shè)計10的左側(cè)是無線任務(wù)流程圖，該任務(wù)先初始化USARTl與SP12相關(guān)的管腳以及寄存器，無線任務(wù)10僅供內(nèi)部使用

軟件詳細設(shè)計報告可通過相關(guān)變量進行開啟或關(guān)閉，如果開啟該功能則判斷SP12中斷發(fā)來的消息郵箱是否有消息，如果有則更新到相關(guān)全局變量;如果功能剛被開啟，則通過串口1向Zigbee模塊發(fā)送患者信息，并發(fā)送實時的溫度等信息，如果不是剛開啟功能，則只向Zigbee模塊發(fā)送溫度等信息，使得功能被開啟后只發(fā)送一次患者信息的數(shù)據(jù)，而不用在重復(fù)發(fā)送。.7.2 設(shè)備側(cè)實現(xiàn)11本控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計沒有針對Zigbee模塊進行開發(fā)，Zigbee模塊上運行的程序是德州儀器(TI)公司提供的官方例程中的串V1透傳(SerialApp)的代碼，該程序?qū)崿F(xiàn)的功能是作為終端的Zigbe