基于STM32的嬰兒保暖臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金愛國(guó)　吳海嘯　朱好生　華華

摘要：在傳統(tǒng)8位單片機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套基于STM32單片機(jī)的嬰兒輻射保暖臺(tái)控制系統(tǒng)，為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性引入uCOS-Ⅲ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要由控制模塊、加熱模塊、LCD顯示模塊、報(bào)警模塊和電源模塊等組成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能可靠地控制輻射頭加熱，使保暖臺(tái)床面達(dá)到預(yù)期溫度，同時(shí)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加熱功率、溫度數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等情況，一旦檢測(cè)到功能異常，立即發(fā)出報(bào)警信息。

關(guān)鍵詞：STM32;嬰兒輻射保暖臺(tái);uCOS-Ⅲ;嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009—9492（2021）03—0161—03

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)民生活水平不斷提高，人們對(duì)于新生兒的健康狀況愈發(fā)重視。而早年出生的早產(chǎn)兒、病危兒、孱弱兒成活率相對(duì)較低。正因?yàn)榇耍罄m(xù)逐漸就有了嬰兒輻射保暖臺(tái)等嬰兒護(hù)理產(chǎn)品的問世。由于醫(yī)療器械行業(yè)準(zhǔn)入門檻相對(duì)較高，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)嬰兒保育設(shè)備的公司本身就不多，技術(shù)較為成熟的保暖臺(tái)則大多采用8位機(jī)控制系統(tǒng)。目前醫(yī)療設(shè)備發(fā)展依靠智能化、集成化程度越來(lái)越高，傳統(tǒng)的8位機(jī)控制系統(tǒng)由于功能單一、控制能力有限等局限，已無(wú)法滿足于日益激烈的市場(chǎng)。與此同時(shí)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家開發(fā)出較為完善的32位機(jī)控制系統(tǒng)，但存在成本較高的問題。由此可見，設(shè)計(jì)一套性能好且性價(jià)比高的嬰兒輻射保暖臺(tái)控制系統(tǒng)意義重大。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)和uCOS嵌入式操作系統(tǒng)的保暖臺(tái)控制系統(tǒng)。分析并設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，在此基礎(chǔ)上著重討論了關(guān)鍵模塊的硬件電路設(shè)計(jì)。軟件方面，為了提高程序運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和可維護(hù)性，引入uCOS操作系統(tǒng)，將軟件程序設(shè)計(jì)模塊化，并劃分為一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子任務(wù)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于保暖臺(tái)首要任務(wù)是溫度控制，在此基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

如圖所示，該系統(tǒng)主要由5大部分組成，分別為電源模塊、控制模塊、加熱模塊、LCD顯示模塊與報(bào)警模塊。整個(gè)系統(tǒng)的能量來(lái)源于220V交流電轉(zhuǎn)56V直流電的開關(guān)電源，直接給輻射頭供電，經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換模塊之后又分級(jí)地將電壓轉(zhuǎn)換為12V、5V、3.3V，分別為固態(tài)繼電器、功率檢測(cè)芯片、MCU等芯片供電。控制部分采用主從式結(jié)構(gòu)，為的是提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。其中，主控芯片選用性價(jià)比較高的STM32F103ZET6，主要負(fù)責(zé)控制輻射頭的加熱與溫度數(shù)據(jù)采集以及其他功能模塊的運(yùn)行。輔助芯片同樣負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集和控制輻射頭的加熱，主從控制芯片通過(guò)RS232串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。加熱模塊是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)亦是難點(diǎn)，主控芯片通過(guò)固定的管腳輸出占空比可調(diào)的PWM方波控制輻射頭的加熱，其中占空比的大小采用變論域模糊PID控制算法計(jì)算得到。雙路膚溫傳感器用于采集保暖臺(tái)床面的實(shí)際溫度并反饋至主控芯片和輔助芯片。功率檢測(cè)芯片用于實(shí)時(shí)控制輻射頭的功率，判斷是否加熱異常。報(bào)警模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)工作異常時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信息，其中包括功率異常報(bào)警、保暖臺(tái)超溫報(bào)警、溫度傳感器故障報(bào)警等。LCD顯示模塊主要用于顯示設(shè)定溫度、床面實(shí)際溫度、加熱比例以及各種報(bào)警提示信息等。

2硬件電路

在控制系統(tǒng)中將主控板和驅(qū)動(dòng)板獨(dú)立設(shè)計(jì)，最大程度上確保各功能模塊互不干擾，同時(shí)也提高了系統(tǒng)硬件的可擴(kuò)展性。主控板除了控制輻射頭加熱，還用于控制外圍時(shí)鐘芯片、FLASH存儲(chǔ)芯片、手勢(shì)識(shí)別芯片、功率監(jiān)測(cè)芯片等。同時(shí)還包含過(guò)壓過(guò)流超溫保護(hù)電路，確保系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要負(fù)責(zé)電壓轉(zhuǎn)換，輻射頭控制回路中雙路固態(tài)繼電器的控制、功率監(jiān)測(cè)和信號(hào)隔離。以下對(duì)主要功能模塊進(jìn)行介紹。

2.1溫度采集電路

此處設(shè)計(jì)了兩路采集電路，以提高溫度采集的可靠性，通過(guò)比較兩路溫度值，從而判斷溫度傳感器是否正常工作，具體電路如圖2所示。J1接口用于連接溫度傳感器，為了提高電源的穩(wěn)定性，降低電壓紋波，經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換芯片TL4050-Q1之后得到REFA（5V）直流電壓。采集回路中分別掛載了2個(gè)獨(dú)立的0.01μF電容和20kΩ上拉電阻。其中電容的作用是對(duì)采集的電壓值做一個(gè)低通濾波，電阻值的確定主要考慮以下兩個(gè)因素：（1）ADC電壓采集范圍（0～5V）;（2）溫度傳感器在保暖臺(tái)正常工作溫度下電阻值的波動(dòng)范圍。skin和skin_iso信號(hào)分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的2個(gè)輸入通道。

2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

綜合考慮模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的成本和轉(zhuǎn)換精度，選用了TI公司的TLV2548芯片。該芯片有8個(gè)輸入通道，遵循四線制SPI通訊協(xié)議，電壓轉(zhuǎn)換范圍為2.7～5.5V。具體轉(zhuǎn)換芯片外圍電路的設(shè)計(jì)如圖3所示。基準(zhǔn)電壓連接較為精準(zhǔn)的REFA參考電壓（5V），A0、A1通道連接溫度采集電路中的skin和skin_iso的溫度信號(hào);A2通道測(cè)量外接電池電壓;A3、A4、A5、A6通道閑置，作為今后擴(kuò)展使用;A7通道用于檢測(cè)轉(zhuǎn)換芯片是否發(fā)生故障，若轉(zhuǎn)換完之后對(duì)應(yīng)的電壓值大約為2.5V，說(shuō)明芯片正常工作，若偏差較大說(shuō)明AD芯片損壞。

2.3功率監(jiān)測(cè)電路

因?yàn)檩椛浼訜犷^隨著工作時(shí)長(zhǎng)的增加會(huì)有加熱異常的風(fēng)險(xiǎn)，故設(shè)計(jì)了功率監(jiān)測(cè)模塊用以監(jiān)測(cè)輻射頭的加熱功率，一旦發(fā)現(xiàn)功率異常則發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息。綜合性能與價(jià)格后選擇了凌特公司的LTC2945芯片，該芯片采用常見的IIC通訊協(xié)議并且有相應(yīng)的接口，降低了開發(fā)難度且縮短開發(fā)時(shí)長(zhǎng)。其中采樣電阻的合理選擇是確保功率采集精度的核心器件。具體監(jiān)測(cè)電路如圖4所示。

因?yàn)檩椛漕^額定工作電壓為56V，電阻約等于7Ω，功率監(jiān)測(cè)芯片的最大采樣電壓為102.4 mV，根據(jù)歐姆定律可得：

綜合上述兩式以及常見的電阻，選用阻值為10mΩ，精度為1%，功率為2W的采樣電阻，將其接人SENSE+和SENSE-管腳，INTVcc管腳是5V電壓輸出端，ADR0和ADIN用于確定芯片的地址，接地表示地址為0x00。區(qū)別于常規(guī)IIC接口的是輸入輸出數(shù)據(jù)分別與SDAI和SDAO相連，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蜏?zhǔn)確率。

3軟件程序

因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)涉及到的任務(wù)相對(duì)較多，如果采用前后臺(tái)控制系統(tǒng)，一旦有某個(gè)任務(wù)發(fā)生故障就可能引起整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，具有較大的安全隱患，故此引入uCOS-Ⅲ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)基于uCOS-Ⅲ共劃分14個(gè)任務(wù)，其中較為關(guān)鍵的任務(wù)有開始任務(wù)、溫度控制任務(wù)、溫度采集任務(wù)、功率監(jiān)測(cè)任務(wù)、液晶顯示任務(wù)、報(bào)警任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)。

開始任務(wù)用于創(chuàng)建其余子任務(wù)，一旦創(chuàng)建成功就掛起自身，釋放內(nèi)存后不再運(yùn)行。溫度控制任務(wù)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，用于控制輻射頭的加熱。溫度采集任務(wù)用于采集保暖臺(tái)床面的實(shí)際溫度。功率監(jiān)測(cè)任務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輻射頭加熱功率。液晶顯示任務(wù)顯示設(shè)定溫度、實(shí)際溫度、時(shí)間等信息。報(bào)警任務(wù)為當(dāng)系統(tǒng)異常時(shí)發(fā)出各種聲光報(bào)警信號(hào)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)用于存儲(chǔ)實(shí)際溫度、加熱功率、系統(tǒng)工作時(shí)間等數(shù)據(jù)。

主控芯片簡(jiǎn)化的程序流程框圖如圖5所示。首先在main（）函數(shù)中調(diào)用OSInit（）函數(shù)，將uCOS系統(tǒng)初始化;初始化控制系統(tǒng)中相關(guān)外設(shè);之后創(chuàng)建開始任務(wù)，調(diào)用OS_CPU_SysTickInit（）函數(shù)初始化時(shí)鐘節(jié)拍，在開始任務(wù)中創(chuàng)建其他用戶任務(wù);最后調(diào)用OSSart（）函數(shù)開始正常運(yùn)行。

4結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于STM32和uCOS操作系統(tǒng)的嬰兒輻射保暖臺(tái)控制系統(tǒng)，并描述了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)、部分硬件電路和主機(jī)程序流程。實(shí)驗(yàn)表明，相較于傳統(tǒng)的8位機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)無(wú)論是穩(wěn)定性還是實(shí)時(shí)性方面都有顯著提升，同時(shí)預(yù)留了足夠的端口，方便后續(xù)功能的完善和拓展，這也將是未來(lái)國(guó)內(nèi)智慧醫(yī)療器械產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。