基于STM32無(wú)線(xiàn)溫度驗證儀系統的設計

0   引言

長(cháng)期以來(lái)，國內很多醫療機構采用國外進(jìn)口的醫療設施，不僅價(jià)格昂貴，且后期的保養維護也較為麻煩，還不能根據國內醫療機構的實(shí)際情況盡快做出修改和改進(jìn)，無(wú)法滿(mǎn)足國內快速增長(cháng)的需要。

無(wú)線(xiàn)溫度驗證儀就是一個(gè)例子，無(wú)線(xiàn)溫度驗證儀系統主要應用于醫療產(chǎn)品設施的殺毒滅菌等消毒柜領(lǐng)域的溫度檢測，以及密封設備等實(shí)時(shí)溫度檢測的再現，無(wú)線(xiàn)溫度驗證儀能應用于濕熱滅菌、濕熱消毒、干熱滅菌等熱力滅菌領(lǐng)域，在醫療衛生、工業(yè)生產(chǎn)種也大量廣泛使用，可以提高醫療設備的監管水平，并能及時(shí)和醫療機構進(jìn)行溝通改進(jìn)，滿(mǎn)足國內實(shí)際情況的需要。系統的各項技術(shù)指標已經(jīng)達到國外產(chǎn)品要求或者已經(jīng)超過(guò)國外產(chǎn)品的性能，價(jià)格卻比國外的低很多，并且已經(jīng)開(kāi)始在國內醫療機構得到應用和推廣。

1   系統結構及原理

系統QT5100是一種離線(xiàn)數據記錄裝置的無(wú)線(xiàn)溫度驗證儀系統。在記錄數據之前進(jìn)行記錄方案編制，之后脫離系統控制，按已經(jīng)下載的方案信息進(jìn)行數據記錄，數據記錄結束后，上傳數據并分析處理，生成數據報告。本系統由三部分組成：上位機軟件、無(wú)線(xiàn)讀數臺、無(wú)線(xiàn)數據記錄器（探頭）。其中上位機軟件為人機界面，用于編制方案、上傳數據、分析數據、生成報告等。無(wú)線(xiàn)讀數臺為中間轉發(fā)機構，負責記錄器與上位機之間的通訊轉發(fā)。數據記錄器（探頭）為執行數據記錄方案的最終單位，按照編制的方案離線(xiàn)進(jìn)行數據記錄。

無(wú)線(xiàn)驗證儀喚醒模式為中斷觸發(fā)，探頭連接后自動(dòng)進(jìn)行電源復位并喚醒，QT5100無(wú)線(xiàn)讀數臺為USB連接線(xiàn)在線(xiàn)供電，增加探頭在線(xiàn)狀態(tài)監測功能，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行通道選擇和擴展，模擬串口通訊為硬件串口，并提高通訊波特率進(jìn)而提高整體通訊速度。

單總線(xiàn)為普通串口通過(guò)特定電路轉化為單線(xiàn)連接的一種半雙工通訊方式，物理連接發(fā)生改變而通訊接口與串口相同。該系統的通訊就是利用單總線(xiàn)的方式。本系統的單總線(xiàn)結構內部設置多個(gè)電容供電電路。當單總線(xiàn)處于工作狀態(tài)時(shí)，來(lái)自無(wú)線(xiàn)讀數臺的高電平保持單總線(xiàn)上的高電平，一方面會(huì )通過(guò)二極管向單片機及芯片供電，另一方面也會(huì )對內部電容充電；當無(wú)線(xiàn)讀數臺傳輸數據處于低電平時(shí)，單總線(xiàn)保持低電平會(huì )使二極管截止，無(wú)法給單片機及芯片供電，這時(shí)內部電容就會(huì )向單片機及芯片供電。但是由于電容的容量有限，因此要求單總線(xiàn)能間隔地提供高電平，以不斷地向內部電容充電、維持器件的正常工作。當單總線(xiàn)無(wú)法滿(mǎn)足系統正常工作時(shí)，無(wú)線(xiàn)數據記錄器（探頭）內部電池會(huì )提供足夠的電壓維持系統正常工作，系統也主要是依靠電池來(lái)保證系統正常工作的，單總線(xiàn)一方面讀取無(wú)線(xiàn)數據記錄器數據，另一方面還能間隔給電容充電，能減少無(wú)線(xiàn)數據記錄器電池的耗電，能增加系統正常工作時(shí)間。

2   無(wú)線(xiàn)讀數臺

無(wú)線(xiàn)讀數臺為中間轉發(fā)機構，負責記錄器與上位機之間的通訊轉發(fā)，系統主控制芯片采用STM32單片機，該單片機相應的外圍電路及程序也都成熟，對于單片機最小電路設計和程序調試來(lái)說(shuō)也信手拈來(lái)，且該芯片是高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計，滿(mǎn)足系統可靠和穩定運行的能力也游刃有余。表1是無(wú)線(xiàn)讀數臺基本功能簡(jiǎn)介。

無(wú)線(xiàn)讀數臺主要原理是利用PMOS管FDV302P的導通功能，將來(lái)自無(wú)線(xiàn)數據記錄器（探頭）單總線(xiàn)的高低電平數據通過(guò)LM311電壓比較器的比較來(lái)實(shí)現數據和STM32單片機的交互，完成數據的讀取。然后無(wú)線(xiàn)讀數臺利用USB的FT232電路將數據上傳給上位機，上位機將數據分析處理。無(wú)線(xiàn)讀數臺部分原理圖如圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)讀數臺原理圖

3   無(wú)線(xiàn)數據記錄器

無(wú)線(xiàn)數據記錄器（探頭）為執行數據記錄方案的最終單位，按照編制的方案離線(xiàn)進(jìn)行數據記錄。無(wú)線(xiàn)數據記錄器也是基于STM32單片機設計的，其中包括單片機STM32及模擬轉換器AD7798BRUZ、溫度傳感器PT1000、電源電池處理電路及單總線(xiàn)結構等。無(wú)線(xiàn)數據記錄器主要利用溫度傳感器PT1000將高溫采集到的溫度數據經(jīng)AD7798BRUZ模數轉換存儲在電路中，只有等來(lái)自上位機的應答信號經(jīng)無(wú)線(xiàn)讀數臺才能將采集到的數據重現和分析?？紤]到省電和工作時(shí)長(cháng)要求，平時(shí)無(wú)線(xiàn)數據記錄器的STM32外圍電路處于休眠模式，只有溫度傳感器及采集轉換電路處于工作狀態(tài)。要想讀取無(wú)線(xiàn)數據記錄器里面的數據應該先喚醒它，圖2是無(wú)線(xiàn)數據記錄器（探頭）喚醒示意圖。

圖2 探頭喚醒示意圖

4   上位機軟件

4.1 上位機界面

上位機界面是通過(guò)USB與無(wú)線(xiàn)讀數臺連接，上位機軟件為人機界面，用于編制方案、上傳數據、分析數據、生成報告等。除此之外，上位機還可以進(jìn)行用戶(hù)信息的維護、用戶(hù)增加、密碼修改等操作，用來(lái)保護數據的隱私，不會(huì )泄露；將數據導出PDF報表進(jìn)行打印或保存等；還可以查看之前保存記錄，進(jìn)行對比分析等功能；另外可以將數據庫進(jìn)行修改升級等滿(mǎn)足各種客戶(hù)的需求。圖3是上位機界面工作示意圖。

圖3 上位機界面示意圖

4.2 通訊協(xié)議

1)物理接口

通信口采用專(zhuān)用單總線(xiàn)接口，上位機等效為串口。信息傳輸方式為異步方式，起始位1位，數據位8位，停止位1位，無(wú)校驗位。數據傳輸速率為57.6 kbit/s。

2)外部接口

上位機與無(wú)線(xiàn)讀數臺、無(wú)線(xiàn)數據記錄器（探頭）之間的通信采用主從方式，上位機呼叫無(wú)線(xiàn)讀數臺和探頭并下發(fā)命令，無(wú)線(xiàn)讀數臺和探頭收到命令后返回相應信息。若上位機在100 ms內收不到響應信息或接收響應信息錯誤，則認為本次通信過(guò)程失敗。

3)通訊功能簡(jiǎn)述

通訊功能如表2所示。

4.3系統異常處理

讀數臺運行過(guò)程中接收到數據有LED進(jìn)行提示，校驗通過(guò)或產(chǎn)生錯誤也通過(guò)LED進(jìn)行指示。探頭通過(guò)上電瞬間發(fā)送WakeUP信號，方便后續故障排查和維護。為了系統維護的方便 ，通過(guò)與上位機輪詢(xún)應答保證在線(xiàn)狀態(tài)，并對讀數臺進(jìn)行總線(xiàn)電壓檢測和溫度監測并上傳。

5   結語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)溫度驗證儀系統是一種簡(jiǎn)單高效的高溫濕熱滅菌檢測系統，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據記錄器（探頭）的實(shí)時(shí)測量，最后通過(guò)無(wú)線(xiàn)讀數臺將測量數據讀取出來(lái)，并通過(guò)上位機軟件導入數據庫進(jìn)行分析、對比以及保存，還可以查詢(xún)以及完成數據列表、生成驗證報告等功能。將高溫濕熱滅菌的效果通過(guò)數據重現，對于確保持續穩定的滅菌效果給予保證，目前該技術(shù)已經(jīng)通過(guò)本公司自己的努力，逐漸克服了系統的技術(shù)難點(diǎn)，而且還將功能得到來(lái)進(jìn)一步提升，能根據醫療機構的需求，將上位機系統進(jìn)行各種改進(jìn)及升級，滿(mǎn)足各醫療機構獨特的要求。將系統的應用廣泛性和技術(shù)指標提高到一個(gè)新的水平，并有良好的市場(chǎng)。

但是，該系統仍然受到個(gè)別技術(shù)問(wèn)題的困擾，例如無(wú)線(xiàn)數據記錄器（探頭）依靠電池供電，內部結構比較狹窄，所采用電池電量就相應較小，雖然探頭內部也采用了休眠系統減少耗電，時(shí)間長(cháng)了難免電池還會(huì )耗盡，必須回廠(chǎng)更換新的電池。相信隨著(zhù)技術(shù)水平的提高，會(huì )有更好性能電池研究出來(lái)，以減少回廠(chǎng)保養的頻率，另外也會(huì )考慮更換一種可充電電池，通過(guò)單總線(xiàn)結構既能采集數據，還能給探頭內部電池間斷充電。將來(lái)，會(huì )努力解決不足，以進(jìn)一步改善系統的可靠性和應用持久性。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）