虛擬儀器平臺嬰兒培養箱校準試驗裝置設計

李 軍，王耀弘，張 雯，陳里里，曾志平

（1.重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074；2.重慶市計量質量檢測研究院，重慶 400074）

0 引 言

嬰兒培養箱可為早產兒和病嬰提供一個空氣清新、溫濕適宜、類似母體子宮的優良環境[1]。其空間溫濕度可根據需要設定，如果培養箱操作不當或示值不準確，會對嬰兒造成傷害；因此，該設備的可靠性和安全性直接關系到嬰兒的身體健康和生命安全。目前，國內外還沒有嬰兒培養箱校準試驗裝置的統一標準，生產該裝置的廠家也較少，多以美國FLUKE公司、中國測試研究院研制的為主。其中，美國FLUKE公司生產的INCUTM便攜式嬰兒培養箱分析儀，能同時檢測空氣流速、噪聲水平、溫度以及濕度4個參數。中國測試研究院研制的CDBI-3000無線嬰兒培養箱檢測儀在國內應用較廣，具有一次測量可獲得5點溫度參數和1點濕度參數的特點。本文結合JJF 1260——2010《嬰兒培養箱校準規范》，設計基于虛擬儀器技術的嬰兒培養箱校準試驗裝置，采用特殊設計的分項集成結構，可同時獲得5點溫度參數、1點濕度參數、氧含量參數以及噪聲參數[2]。通過系統軟件的數據采集和計算分析，達到全自動校準的目的，能夠滿足國內目前使用的各類嬰兒培養箱計量檢測的需求[3]。

1 系統組成

本文研制了一套用于固定各測量探頭的模擬嬰兒形體位置的裝置，在實現分項同步校準的同時，可更加真實反映出嬰兒培養箱的整體質量狀況。以NI的LabVIEW虛擬儀器開發平臺為核心,實時同步采集并顯示嬰兒培養箱環境測試結果（包括溫度、氧含量、濕度以及噪聲值）。系統由硬件電路和Lab－VIEW圖形程序兩部分組成。通過各傳感器感知嬰兒培養箱環境并轉化為電信號，模擬電路主要完成對這些信號的濾波、放大等工作。嬰兒培養箱校準試驗裝置系統框圖如圖1所示。其中，溫度模塊以數據采集卡采集溫度傳感器輸出的模擬信號并計算，通過RS485轉RS232接口與PC機通信；氧氣傳感器輸出信號由調理電路處理后，由數據采集卡采集4～20mA的電流，通過RS485轉RS232接口與PC機通信并由數據采集分析軟件分析計算；濕度采集模塊由傳感器和濕度變送模塊組成，通過RS485轉RS232接口與PC機通信；噪聲測量模塊由電容傳聲器、噪聲變送模塊、光耦隔離器組成，通過RS232與PC機通信[4-5]。

圖1 嬰兒培養箱校準試驗裝置系統框圖

圖2 嬰兒培養箱校準試驗裝置硬件

2 硬件設計

本系統硬件部分主要完成對嬰兒培養箱環境參數的獲取、放大、濾波等調理工作，需根據信號特點靈活地選用器件與設計電路。嬰兒培養箱校準試驗裝置硬件如圖2所示。

2.1 傳感器選型

系統選用Pt100鉑電阻作為測溫元件。Pt100在氧化性介質中，甚至高溫環境下物理、化學性質穩定，具有精度高、穩定性好、性能可靠的特點，在中溫范圍內應用廣泛。英國Alphasense公司的氧氣傳感器（O2-A2）主要用于測量環境中氧氣氣體濃度，具有使用壽命較長、線性度高、易于保存等特點，符合項目使用要求。選用FLEX2000TH溫濕度模塊測量濕度，模塊集成瑞士SENSIRION生產的SHT系列的單芯片傳感器，該傳感器穩定性高、響應快、抗干擾能力強，在測量與檢測方面應用廣泛。根據噪聲測量要求，選用AWA5636聲級計測量噪聲。AWA5636型聲級計是一種數字化、模塊化多功能聲級計，采用AWA14421型預極化測試電容傳聲器，使用數字檢波技術，具有可靠性高、穩定性好、動態范圍寬的特點，可用于工業以及環境噪聲測量。

2.2 硬件關鍵部分選型和設計

選用ADAM-4000系列的ADAM-4015采集熱電阻輸入信號。ADAM-4000系列是通用的傳感器到計算機的便攜式接口模塊，能在惡劣的環境下工作。ADAM-4015是16位A/D 6通道熱電阻輸入模塊，通過標準RS485總線傳輸數據，可同時對大量測量點進行數據采集，精度可達到±0.1%或更高。根據O2-A2傳感器在20.9%氧氣濃度下輸出80～120μA的特點，設計氧氣測量模塊放大電路，在電路中添加可調電阻，使其輸出值在4～20mA。選用ADAM4017+采集氧氣傳感器輸入信號。ADAM4017+是16位A/D 8通道的模擬量輸入模塊，可以采集電壓、電流等模擬輸入信號，支持8路差分信號，還支持Modbus協議，具有4～20mA的輸入范圍。設計光耦隔離器避免干擾，其內部采用高速光耦對RS-232信號進行隔離傳輸，可以確保計算機不對聲級計的本底噪聲造成影響[6]。

3 軟件設計

利用LabVIEW可編程軟件中豐富的庫函數設計采集分析軟件，實現數據的實時采集、分析、處理和顯示儲存等功能[7-8]。串行通信是計算機與其他設備進行數據交換常用的方法之一。本系統中氧含量測量分項、溫度測量分項、濕度測量分項都是采用RS-485接口電路和應用非常廣泛的ModBus協議，噪聲測量分項采用RS232通信協議。軟件系統包括系統設置、數據分析、數據顯示、數據保存、數據輸出5部分。系統設置包括配置串口號，設置聲級計的時間計權、頻率計權、波特率等參數。數據分析包括模擬量代入數據矩陣求解、均值最值求解、數據補償等。數據顯示包括顯示噪聲實時值、最值均值，以及5點溫度值、氧濃度值和濕度值。數據保存部分主要是按照格式要求保存數據。數據輸出是按照數據校準記錄和要求輸出word文檔。系統前面板如圖3[9-10]所示。

4 實驗與分析

為了檢測系統的準確度、重復性、穩定性等參數，并檢驗設備是否符合JJF 1260——2010《嬰兒培養箱校準規范》和GB 11243——2008《醫用電氣設備第2部分：嬰兒培養箱安全專用要求》，分別在恒定環境下測試各測量分項。首先采用兩點法校準原理校準噪聲測量模塊和濕度測量模塊。在標準恒定環境中檢測結果見表1。溫度作為關鍵測量參數，其數據按順序對應表示1～5個檢測點的值。表中所有數據均是在多組所測數據中選取的有效值。統計分析數據，通過對各溫度測量點給與補償后能保證示數準確；濕度測量模塊示數準確，在允許誤差范圍內，符合校準要求。

表1 實驗測量數據

圖3 系統前面板

根據O2-A2氧氣傳感器線性特性標定氧含量測量模塊。首先在濃N2（氧氣體積分數0%）和氧氣體積分數20.20%環境下調動可變電阻，使數值在合適范圍。計算求解，并獲得氧含量線性關系。將數據矩陣代入程序并檢測，從表1中可以看出誤差在允許范圍內。噪聲測量模塊核心設備是AWA5636型聲級計，設備帶有示數功能。在單獨檢測該聲級計時，數據穩定且示數準確。通過帶RJ45接口的RS232傳輸線連接設備和PC機后，在高分貝區PC機示數不穩定，在低分貝區示數不穩定且波動大，誤差超出允許范圍。通過安裝連接光耦隔離器后，對數據進行隔離傳輸后，檢測結果準確。

5 結束語

本文設計的一種基于虛擬儀器平臺的嬰兒培養箱測控系統，是由基于RS-485接口和ModBus通信協議的氧分析測量模塊、濕度測量模塊和溫度測量模塊以及基于RS232通信協議的噪聲測量模塊組成。設計采用基于LabVIEW編程環境的校準試驗系統具有很強的擴展性，其分析結果可方便地進行交流與共享。系統試驗結果表明，本設計采用的分項集成結構，通過系統軟件的數據采集和計算分析，技術指標及性能完全滿足嬰兒培養箱校準規范的要求，且具有較高的測量精度及分辨率；同時其操作簡便、性能穩定、重復測量能力強，具有良好的人機溝通能力。

為了提高檢測的準確性和可靠度，系統可在傳輸線的信號干擾設計方面進行完善，以避免檢測過程中信號干擾產生較大誤差；同時需在后續的設計中制定并完成校準裝置的檢定規程。

[1]俞嘩，金偉.嬰兒培養箱的質控與研究[J].醫療衛生裝備，2011，2（1）：110-111.

[2]JJF 1260—2010嬰兒培養箱校準規范[S].北京：中國標準出版社，2010.

[3]GB 11243—2008醫用電氣設備 第2部分：嬰兒培養箱安全專用要求[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4]徐航明，葉蓓.多路RS-485板的開發與應用[J].中國修船，2013，26（5）：33-37.

[5]蔣程鵬，呂建敏.基于LabVIEW的脈搏測試儀[J].醫療裝備，2009（10）：13-17.

[6]任彪，申立中，畢玉華，等.基于LabVIEW和ADAM4000模塊的溫度采集系統[J].儀器儀表用戶，2003，15（3）：25-26.

[7]LabVIEW User Manual[M].National Instruments Corporation，2000：215-221.

[8]饒程，熊興良，鄒建，等.虛擬儀器技術及其在醫學信號采集中的應用[J].醫療衛生裝備，2004（3）：12-15.

[9]Regan L，Grogory M.Flux analysis ofmicrobialmetabolic pathways using a visual programming environment[J].J Biotechnol，1995，42（2）：151-161.

[10]辜衛國.基于基于無線數據傳輸的嬰兒培養箱檢測儀的設計[J].工程與實驗，2012，52（3）：64-65.