基于STM32和μCOS的醫用注射泵系統軟件設計

作者 / 王婉 劉振洗 胡林軍 郭書(shū)磊 中國電子科技集團公司第四十一研究所(安徽 蚌埠 233010)

王婉(1989-)，女，碩士，助理工程師，研究方向：醫療電子。

摘要：本文提出一種采用STM32F103ZET6處理器平臺，使用μC/OS-II操作系統，借助μC/GUI控件進(jìn)行界面開(kāi)發(fā)的注射泵控制系統。采用基于模塊化分層的軟件設計方法，滿(mǎn)足注射泵對多功能、易用界面、低功耗和多任務(wù)的需求，以提高醫用注射泵的工作效率及可靠性。

引言

　　醫用注射泵是一種新型泵力儀器，將少量藥液精確、均勻、持續地泵入病人體內，操作便捷、可靠性好。注射泵應具備的功能有：設置輸液速度和輸液量，隨時(shí)更改輸液參數，程序預設和數據保存，對異常情況進(jìn)行報警。使用醫用注射泵搶救危重患者，能減輕護士工作量，提高工作效率，準確、安全、有效地配合醫生搶救。

1 系統概述

　　本文設計的系統采用閉環(huán)控制思想，結合嵌入式技術(shù)、傳感檢測技術(shù)和電機控制技術(shù)，從而實(shí)現高精度、高可靠性的醫用注射泵系統開(kāi)發(fā)。系統整體組成框圖如圖1所示，注射泵控制系統主要包括注射器推桿位置檢測模塊、阻塞壓力檢測模塊、注射器規格檢測模塊、聲光報警模塊、LCD顯示模塊、注射參數存儲模塊和電源管理模塊。注射泵工作時(shí)，STM32F103ZET6(以下簡(jiǎn)稱(chēng)STM32)處理器發(fā)出PWM脈沖使步進(jìn)電機旋轉，而步進(jìn)電機通過(guò)機械傳動(dòng)裝置將旋轉運動(dòng)變成直線(xiàn)運動(dòng)，推動(dòng)注射器的活塞進(jìn)行注射，同時(shí)STM32通過(guò)采集傳感器反饋的數據指導注射泵工作。

2 軟件設計

2.1 整體軟件架構

　　本系統采用STM32F103ZET6處理器平臺，以μC/OS-II 實(shí)時(shí)操作系統為系統平臺，并應用了μC/GUI圖形支持軟件。采用基于模塊化分層的軟件設計方法，具體如圖2所示。包括應用軟件層、系統軟件層和硬件外設配置層，每一層又分為不同的功能模塊，方便注射泵的調試和功能擴展。

　　應用軟件層通過(guò)μC/OS-II系統建立任務(wù)，包括系統主任務(wù)、μC/GUI界面任務(wù)、鍵盤(pán)掃描任務(wù)、旋轉編碼器檢測任務(wù)和報警指示燈顯示任務(wù)。

　　系統軟件層包括移植于STM32處理器的μC/GUI圖形系統、μC/OS-Ⅱ操作系統和中斷管理系統。μC/GUI界面程序實(shí)現實(shí)時(shí)顯示注射泵的各種參數和運行狀態(tài)，如注射器規格、輸液速度、預輸液量、已輸液量、電池電量、注射運行標志及報警信息提示等，使操作者能夠實(shí)時(shí)掌握注射泵的工作狀態(tài)，并提供良好的人機交互界面;μC/OS-Ⅱ操作系統負責執行任務(wù)調度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內存管理和任務(wù)間的通信與同步等基本功能;異常與中斷處理模塊提供中斷服務(wù)程序，主要包括系統時(shí)鐘節拍處理函數、按鍵及編碼器定時(shí)掃描中斷、電源管理模塊定時(shí)掃描中斷、產(chǎn)生PWM脈沖的定時(shí)中斷、EEPROM讀寫(xiě)中斷、注射器規格及脫落檢測中斷。

　　硬件外設配置層主要完成外圍器件的驅動(dòng)及應用配置。包括LCD驅動(dòng)配置，壓力傳感器應用配置，注射器檢測用傳感器驅動(dòng)配置，按鍵、編碼器、LED燈及蜂鳴器應用配置，注射器推桿位置檢測用傳感器應用配置，EEPROM驅動(dòng)配置和步進(jìn)電機驅動(dòng)配置。

　　該設計具有界面化控制、多任務(wù)處理、數據實(shí)時(shí)傳遞，并配合人性化的鍵盤(pán)板，能極大地提高使用者的工作效率。

2.2 系統主程序設計

　　系統的主程序講述的是整個(gè)系統的執行過(guò)程，如圖3所示。在所有的初始化工作完成后，進(jìn)入系統主界面，通過(guò)按鍵設置注射參數，包括注射模式、藥物量、注射時(shí)間、注射速度等參數，然后檢測注射器規格，開(kāi)始注射。傳感檢測模塊實(shí)現閉環(huán)控制、保證本系統安全可靠運行，對注射過(guò)程進(jìn)行注射阻塞檢測、注射器脫落檢測和注射器推桿位置檢測，如果不滿(mǎn)足要求則進(jìn)行報警、停止注射。并在剩余藥量小于預定值時(shí)進(jìn)行注射近空報警，提醒用戶(hù)提前做好準備。

2.3 功能模塊軟件實(shí)現

2.3.1 步進(jìn)電機控制

　　本設計采用兩相混合式步進(jìn)電機，步進(jìn)電機根據電機驅動(dòng)器的控制信號進(jìn)行工作。通過(guò)改變PWM脈沖頻率和占空比控制電機的運動(dòng)速度。電機運動(dòng)方向固定為正轉，使能信號由STM32的GPIO引腳控制，高電平使能控制信號輸出，電機轉動(dòng)。

　　PWM脈沖由STM32的內部定時(shí)器產(chǎn)生，通過(guò)改變相關(guān)寄存器配置來(lái)改變脈沖頻率與占空比。PWM 配置分以下幾個(gè)步驟:

　　1)定時(shí)器時(shí)鐘經(jīng)預分頻器分頻后為計數器提供時(shí)鐘;

　　2)重裝載寄存器和輸出比較寄存器的數值不斷與計數器比較;

　　3)計數器的數值與重裝載寄存器相等時(shí)，復位計數器并翻轉輸出信號;

　　4)計數器數值與輸出比較寄存器相等時(shí)，翻轉輸出信號。

2.3.2 注射器檢測

　　一般的醫用注射泵均使用ml注射器，常用的規格有10ml、20ml、30ml和50ml，系統在進(jìn)行注射前需要獲取注射器規格，注射過(guò)程中如果注射器發(fā)生脫落，需要及時(shí)報警并停止輸液。本設計使用光電開(kāi)關(guān)檢測注射器規格和注射器脫落與否。檢測注射器規格的信號連接至STM32的GPIO引腳，通過(guò)外部中斷的方式檢測對應GPIO引腳的電平變化來(lái)判斷注射器規格同理，可以檢測注射器是否脫落。

2.3.3 注射器推桿位置檢測

　　注射過(guò)程中需要通過(guò)注射器推桿位移的變化來(lái)計算已注射藥量，本設計使用位移傳感器檢測注射器推桿位置。將檢測信號連接至STM32的ADC模塊，在注射時(shí)，首先測出注射器推桿的初始位置電壓值，然后實(shí)時(shí)獲取推桿運動(dòng)中的電壓值，根據兩個(gè)電壓值之差，就可得出注射器推桿運動(dòng)的距離，繼而算出已注射容量。

2.3.4 阻塞壓力檢測

　　當針頭堵塞或輸液管路打折等原因造成輸液不暢時(shí)，液路系統壓力大于正常注射時(shí)的壓力，可通過(guò)檢測注射器推桿處的壓力值進(jìn)行判斷。檢測的壓力信號連接至STM32的ADC引腳，STM32采集變換并放大1000倍后的電壓值，然后根據應變片壓力和電壓的線(xiàn)性關(guān)系，計算出實(shí)時(shí)壓力值，如果壓力值大于預設的報警值，則進(jìn)行報警，并停止注射。

2.3.5 聲光報警

　　當注射泵出現異常工作時(shí)，需要及時(shí)進(jìn)行警告處理。本系統采用蜂鳴器、LED、LCD三種方式進(jìn)行報警。蜂鳴器和LED分別接到STM32的GPIO引腳，當注射完成或注射阻塞時(shí)，對應的LED點(diǎn)亮并蜂鳴報警;當電池電量不足、注射器脫落、注射器推桿錯位、注射即將完成時(shí)，LCD提示并蜂鳴報警。

2.3.6 注射參數存儲

　　為了方便查詢(xún)上次關(guān)機時(shí)的輸液模式、參數等信息，本設計添加了參數存儲功能。EEPROM采用I2C總線(xiàn)與STM32交換數據，每次開(kāi)機時(shí)，讀取EEPROM存儲的參數值并顯示，每次設置的參數值改變時(shí)都進(jìn)行重新存儲。

2.3.7 鋰電池供電管理

　　本設計具有交、直流兩種供電方式，并且兩種方式能自動(dòng)切換。使用電源管理模塊獲取電池的電量信息，通過(guò)SMBD和SMBC將鋰電池連接到STM32的I2C總線(xiàn)，采用SMBus總線(xiàn)模式定時(shí)讀取電池信息，并在LCD實(shí)時(shí)顯示電量。如果電池電量不足，則進(jìn)行報警，如果充電完成，則點(diǎn)亮LED示意。

2.3.8 按鍵及編碼器檢測方案

　　按鍵連接至STM32的GPIO引腳，編碼器連接至STM32定時(shí)器的編碼器接口引腳。通過(guò)定時(shí)器掃描按鍵和編碼器狀態(tài)。按鍵分為短按和長(cháng)按功能，短按可實(shí)現開(kāi)始/停止、蜂鳴器消音、模式切換、參數選擇和報警消除功能，長(cháng)按可實(shí)現快注、注射器標定功能。編碼器用于實(shí)現參數值的輸入，可實(shí)現小數與整數部分的切換，參數值改變大小與旋轉速度一致。

2.3.9 LCD顯示

　　LCD實(shí)現實(shí)時(shí)顯示注射泵的各種參數和運行狀態(tài)，如注射器規格、注射速度、預輸藥量、已輸藥量、電池電量、注射運行標志及報警信息提示等，使操作者能夠實(shí)時(shí)掌握注射泵的工作狀態(tài)，并提供良好的人機交互界面。本設計采用FSMC(靈活的靜態(tài)存儲器控制器)接口控制液晶顯示模塊，采用16位寬數據總線(xiàn)，使用NE1作為片選線(xiàn)，借助μC/GUI控件繪制所需的交互界面。

3 結論

　　本設計提供了一種人機交互友好、占用資源少、可移植性強、基于模塊化分層的注射泵軟件結構，能夠滿(mǎn)足注射泵對多功能、易用界面、低功耗以及多任務(wù)的需求，使醫用注射泵的工作效率顯著(zhù)提高、可靠性變強。根據本軟件設計方法生產(chǎn)的注射泵適用于長(cháng)時(shí)間微量、均勻、精確地注射藥液，性能上完全滿(mǎn)足國內醫院對靜脈輸液的要求。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第12期第43頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。