人體表面溫度控制系統的軟件實現方法

譚寶昌，張 震，楊連發，覃佳能，陳隆鴻

（桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林 541004）

在醫療手術及康復過程中，患者常常會因為核心溫度降低而出現低體溫的現象，此現象對手術及術后康復極為不利，會直接影響手術成敗及術后恢復的效果[1]。因此，使用輔助保溫裝置，對手術及術后康復過程中的人體表面溫度（簡稱體表溫度）進行控制，已成為最常用的保溫措施之一。

在人體表面溫度控制系統的軟件實現方法上，人們開展了一些研究。例如廣西大學的韋文代提出了基于九點控制器算法的溫度控制系統[2]，該系統的軟件是基于C8051單片機的SmallRTOS實時操作系統的；桂林電子科技大學的張苗苗提出的基于單片機的PID算法等[3]。由于人體表面溫度的控制具有實時性、交互性等特點，需要實現智能控制，采用一般的軟件實現方法，已經不能滿足設計的要求。

Linux嵌入式操作系統，是一款成熟而穩定的操作系統，可以在此系統的基礎上，實現多種軟件控制與開發，并能對多種硬件結構的驅動進行移植，制定特定的軟件實現方案；具有容易修改和系統優化、支持網絡、適合多種CPU等特點。本文闡述采用ARM9 Linux實現人體表面溫度控制系統的軟件方法。

1 系統控制原理

本系統是以ARM9 Linux嵌入式操作系統，作為軟件控制平臺，以人體體表溫度為控制源，以氣體的溫度和流量為控制量，結合人體熱調節理論，共同完成對體表溫度的控制[4]。

該軟件系統主要包括：多點控制源的溫度采樣與控制、液晶顯示、故障檢測及報警、氣體溫度采樣、氣體溫度控制和氣體流量控制等模塊，其控制系統結構如圖1所示。其中，多點溫度采集的是身體各部位的體表溫度，采集后將這些數據通過控制平臺存儲到存儲器內；顯示模塊用于顯示采集到的體表溫度、氣體溫度和實時核心溫度，并根據采集到的溫度信號繪制其隨時間的變化曲線；控制模塊主要包括電源開關、參數設置、狀態選擇、數據輸入等；故障檢測及報警模塊在系統開機時，進行軟硬件復位檢測，同時記錄系統運行過程中相對應的狀態值，并對其進行分析，若其為故障數值，則進行報警；氣體溫度控制和氣流控制模塊，是由Linux嵌入式核心平臺直接控制，由增量式PID控制算法所得到的控制量決定，控制量由采集的體表溫度和控制源的核心溫度決定。

圖1 控制系統結構圖

2 軟件實現

本軟件系統將實現人體核心溫度的實時性和智能化控制，但由于以往的軟件系統的不確定性和滯后性，不能滿足大存儲、高精度、在線升級等智能化要求。然而，Linux是一款成熟而穩定的操作系統，其源代碼是完全對外開放的，可以根據用戶需求量身定制系統，尤其在本軟件系統中，能夠實現實時性和智能化控制要求。

2.1 操作系統移植

Linux內核版本更新速度非?？?，本系統采用比較新的Linux2.6.28版本。在移植系統前，要先將Bootloader啟動程序固化在NOR Flash上，再用DNW軟件下載硬件測試程序，測試整個系統的硬件，確保硬件系統的正常。系統移植主要包括移植引導程序、編譯內核和構建根文件系統共3個部分[5]。引導程序在系統上電的時候開始執行，初始化硬件設備，然后調用Linux系統內核。

系統移植主要分為以下步驟進行：

（1）在 PC機上安裝 gcc、binutils、glibc和 vivi等軟件以及ARM內核相應的BSP；

（2）按照系統開發的需要添加相應的接口驅動程序；

（3）通過編譯得到相應的Linux系統映像文件；

（4）下載Linux系統映像到ARM控制系統的NAND Flash中；

（5）固化系統的bootloader。

2.2 軟件設計

系統通過人體表面溫度，來間接實現人體核心溫度的實時監控，其應該具備以下功能：友好的可視化操作界面、精確的溫度檢測和控制、多方位的智能化控制等。本文結合Linux嵌入式操作系統，設計出比較智能的硬件結構，并實現了系統各個模塊的功能：人體各部位溫度的實時顯示、氣體溫度顯示、核心溫度顯示，通過鍵盤或者觸摸屏設置核心參考溫度、系統的開始和結束。

圖2 軟件結構框圖

軟件系統的主要任務是：溫度信號采樣、鍵盤讀取、觸摸式LCD顯示、PID控制算法實現、氣體溫度控制等，軟件結構框圖如圖2所示[2]。

溫度信號采樣，主要結合濾波法和均值法采樣人體表面溫度和氣體溫度；

鍵盤讀取，通過行列掃描法對外接的鍵盤進行掃描；

觸摸式LCD顯示，是結合四線電阻式觸摸板和LCD圖形顯示，并能將觸摸位置與圖像位置形結合，共同實現觸摸式顯示；

PID控制算法實現，是將采集到的溫度信號送入增量式PID控制器，經過運算得出控制量；

氣體溫度控制，由增量式PID得出的控制量間接控制電熱絲的通斷時間，達到控制氣體的目的。

系統各任務的優先級從高到底的順序為：溫度信號采樣、增量式PID算法實現、鍵盤掃描和觸摸屏掃描、控制氣溫、液晶顯示。各任務的優先級順序不能調換，系統嚴格按照各任務的優先級執行各任務。

3 系統任務的設計

3.1 溫度采樣的軟件實現方法

溫度信號的采樣，是通過ARM9 S3C2440A處理器自帶的A/D模塊來實現的，ARM9本身集成一個10位COMS逐次逼近型的模數轉換器，ARM9 S3C2440A處理器最高工作頻率可達400MHz，保證了其模數轉換器的轉換速度。在該控制系統中，為了準確地采集溫度，采用采集10次/s溫度信號的方法。在數據處理方面，結合中值濾波法和平均濾波法，通過對10次數據的存儲，去掉最大值和最小值，然后對剩下的值取平均值，便可得到當前實際溫度值[2]，然后，將其送往LCD控制器進行顯示。溫度信號采樣流程圖如圖3所示。

溫度信號采樣，在整個系統中非常重要，關系到整個系統能否正常工作、能否精確控制人體核心溫度。所以將溫度信號采樣這個任務的優先級，設為最高級，即采集溫度信號后，才執行系統的其他任務。溫度信號采樣完畢后，將采集的溫度以消息隊列的形式，存儲起來，并與其他任務實現數據共享。

3.2 PID控制算法的軟件實現方法

PID控制算法的實現，是整個控制系統的核心部分，本系統采用單獨的任務進行控制。要快速地穩定人體的核心溫度，除了保證硬件的控制精度外，更多的是選用一種比較好的控制算法。PID控制算法是連續控制系統中技術成熟、應用最為廣泛的控制算法[6]。在本系統中，采用增量式PID算法。首先將傳感器采集的溫度數值，與設定的核心溫度數值進行比較，把比較得到的差值信號，經過一定的規律計算后，得到相應的控制值，并將其送往PID控制器，控制氣體溫度和流量，進而借助恒溫氣體與人體表面進行的熱能交換，來間接達到穩定人體核心溫度的目的。增量式PID的算法如下[7]：

式中，

Kp為比例系數；

T為采樣周期；

e(n)，e(n-1)，e(n-12)分別為當前時刻、前一時刻、再前一時刻的實時采樣溫度值與設定核心溫度值的差值；

Ti為積分時間常數；

Td為微分時間常數。

增量式PID的優點，在于只要保持前3個時刻的差值，輸出控制量的初始設定值不必很準確，便可以很快進入穩定狀態。

增量式PID算法流程圖圖4所示。增量式PID控制算法較為簡單，能用簡單的數學運算算出氣體溫度的增量控制量。因為PID控制算法是整個系統的核心控制部分，由其得出的控制量，間接影響到氣體溫度，關系著整個系統的控制精度，所以將其優先級設定為次高級，僅次于溫度信號采樣。

圖3 溫度信號采樣流程圖

圖4 增量式PID算法流程圖

3.3 控制氣體溫度的軟件實現方法

控制氣體溫度，是整個系統的執行部分，為了達到實時控制的目的，將控制氣體溫度任務的優先級，設定在溫度信號采樣、觸摸屏讀取和鍵盤掃描任務之后。首先采集溫度信號，然后通過ARM控制單元的PID控制器得到氣體溫度的控制量，將控制量送入ARM自帶的PWM計數器中，從而得到相應的占空比，然后控制晶體管的導通時間，進而改變電加熱絲的功率，實現對氣體溫度的控制。其控制流程圖如圖5所示。

由于氣體具有流動性，對氣體溫度信號的采集和對電熱絲的控制，顯得尤為重要。ARM9 S3C2440A處理器自帶的A/D是10位的，保證了氣溫信號采樣的精度；在采樣后的數據處理方面，結合了中值濾波法和平均濾波法，保證了采樣氣溫信號的準確性；采樣的氣溫信號，經過PID控制器的處理，能快速調整PWM占空比，間接控制電熱絲的加熱，使控制的氣溫快速趨于穩定。

3.4 液晶顯示及觸摸屏的軟件實現方法

本系統選用的是帶觸摸屏的TFT真彩LCD作為顯示部件。在Linux操作系統的基礎上，設計出友好的顯示界面、溫度曲線繪制界面、控制界面或控制按鈕。

Linux嵌入式操作系統控制平臺集成了LCD控制器。LCD控制器的主要功能用于傳輸、顯示數據和產生控制信號。系統每次在執行任務時，都往LCD控制器發生顯示所需的數據和命令。液晶在系統的每個運行周期都對液晶進行刷新，通過對觸摸屏的掃描，來顯示參數或者改變顯示的畫面。

觸摸屏的設計，是該系統人機交互的重要環節。在整個控制系統中，根據用戶需要，可以通過觸摸屏設置控制溫度。ARM采用中斷方式，對觸摸屏的坐標進行讀取。當觸摸屏有外力作用時，CPU產生中斷，系統便進入坐標讀取任務。觸摸屏坐標讀取的流程圖如圖6所示[8]。為了保證讀取坐標的準確性，系統每獲取一次坐標的過程中，實際上分別對X坐標和Y坐標進行10次讀取，然后結合中值濾波法和平均濾波法，通過對讀取數據的存儲，去掉最大值和最小值，剩下的數據取其平均值，便得到當前實際的坐標值。

圖5 氣溫控制流程圖

圖6 觸摸屏坐標讀取流程

4 結束語

本文在ARM Linux嵌入式操作系統的基礎上，研究了人體表面溫度控制系統的軟件實現方法。該方法不僅能保證人體表面溫度的實時控制，而且方便維護和升級，具有一定的實用意義，特別是在手術及術后康復過程中，通過調節吹拂到人體表面氣體的溫度及流速，達到穩定人體核心溫度的目的。

[1]王海蓮，朱水蓮，樊彩玲.術中體核溫度監測[J].護理研究，2002，16(8)：478.

[2]韋文代.基于九點控制器算法的溫度控制系統開發[J].微計算機信息，2008，24(7)：29-30.

[3]張苗苗.智能型醫用充氣式保溫毯的結構設計及實驗[D].桂林：桂林電子科技大學，2010.

[4]袁修干.人體熱調節系統的數學模型[M].北京：北京航空航天出版社，2005.

[5]韋東山.嵌入式Linux應用開發完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[6]嚴曉照，張興國.增量式PID控制在溫控系統中的應用[J].南通大學學報，2006，5(4)：48-51.

[7]姚 剛，蘇國璋，楊書艷，等.增量式PID算法在控制濾池恒水位運行中的應用[J].供水技術，2010，4(1)：35-37.

[8]李培棟，郭 勇，謝興紅.基于ARM的醫用數據采集系統的人機接口設計[J].創特器件應用，2010，12(3)：33-35.