基于STM32無線溫度驗(yàn)證儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0   引言

長(zhǎng)期以來，國內(nèi)很多醫(yī)療機(jī)構(gòu)采用國外進(jìn)口的醫(yī)療設(shè)施，不僅價(jià)格昂貴，且后期的保養(yǎng)維護(hù)也較為麻煩，還不能根據(jù)國內(nèi)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的實(shí)際情況盡快做出修改和改進(jìn)，無法滿足國內(nèi)快速增長(zhǎng)的需要。

無線溫度驗(yàn)證儀就是一個(gè)例子，無線溫度驗(yàn)證儀系統(tǒng)主要應(yīng)用于醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)施的殺毒滅菌等消毒柜領(lǐng)域的溫度檢測(cè)，以及密封設(shè)備等實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)的再現(xiàn)，無線溫度驗(yàn)證儀能應(yīng)用于濕熱滅菌、濕熱消毒、干熱滅菌等熱力滅菌領(lǐng)域，在醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)種也大量廣泛使用，可以提高醫(yī)療設(shè)備的監(jiān)管水平，并能及時(shí)和醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行溝通改進(jìn)，滿足國內(nèi)實(shí)際情況的需要。系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國外產(chǎn)品要求或者已經(jīng)超過國外產(chǎn)品的性能，價(jià)格卻比國外的低很多，并且已經(jīng)開始在國內(nèi)醫(yī)療機(jī)構(gòu)得到應(yīng)用和推廣。

1   系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)QT5100是一種離線數(shù)據(jù)記錄裝置的無線溫度驗(yàn)證儀系統(tǒng)。在記錄數(shù)據(jù)之前進(jìn)行記錄方案編制，之后脫離系統(tǒng)控制，按已經(jīng)下載的方案信息進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)記錄結(jié)束后，上傳數(shù)據(jù)并分析處理，生成數(shù)據(jù)報(bào)告。本系統(tǒng)由三部分組成：上位機(jī)軟件、無線讀數(shù)臺(tái)、無線數(shù)據(jù)記錄器（探頭）。其中上位機(jī)軟件為人機(jī)界面，用于編制方案、上傳數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、生成報(bào)告等。無線讀數(shù)臺(tái)為中間轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)記錄器與上位機(jī)之間的通訊轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)記錄器（探頭）為執(zhí)行數(shù)據(jù)記錄方案的最終單位，按照編制的方案離線進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

無線驗(yàn)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(fù)位并喚醒，QT5100無線讀數(shù)臺(tái)為USB連接線在線供電，增加探頭在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，通過模擬開關(guān)進(jìn)行通道選擇和擴(kuò)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。

單總線為普通串口通過特定電路轉(zhuǎn)化為單線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(tǒng)的通訊就是利用單總線的方式。本系統(tǒng)的單總線結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置多個(gè)電容供電電路。當(dāng)單總線處于工作狀態(tài)時(shí)，來自無線讀數(shù)臺(tái)的高電平保持單總線上的高電平，一方面會(huì)通過二極管向單片機(jī)及芯片供電，另一方面也會(huì)對(duì)內(nèi)部電容充電；當(dāng)無線讀數(shù)臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)處于低電平時(shí)，單總線保持低電平會(huì)使二極管截止，無法給單片機(jī)及芯片供電，這時(shí)內(nèi)部電容就會(huì)向單片機(jī)及芯片供電。但是由于電容的容量有限，因此要求單總線能間隔地提供高電平，以不斷地向內(nèi)部電容充電、維持器件的正常工作。當(dāng)單總線無法滿足系統(tǒng)正常工作時(shí)，無線數(shù)據(jù)記錄器（探頭）內(nèi)部電池會(huì)提供足夠的電壓維持系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)也主要是依靠電池來保證系統(tǒng)正常工作的，單總線一方面讀取無線數(shù)據(jù)記錄器數(shù)據(jù)，另一方面還能間隔給電容充電，能減少無線數(shù)據(jù)記錄器電池的耗電，能增加系統(tǒng)正常工作時(shí)間。

2   無線讀數(shù)臺(tái)

無線讀數(shù)臺(tái)為中間轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)記錄器與上位機(jī)之間的通訊轉(zhuǎn)發(fā)，系統(tǒng)主控制芯片采用STM32單片機(jī)，該單片機(jī)相應(yīng)的外圍電路及程序也都成熟，對(duì)于單片機(jī)最小電路設(shè)計(jì)和程序調(diào)試來說也信手拈來，且該芯片是高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)可靠和穩(wěn)定運(yùn)行的能力也游刃有余。表1是無線讀數(shù)臺(tái)基本功能簡(jiǎn)介。

無線讀數(shù)臺(tái)主要原理是利用PMOS管FDV302P的導(dǎo)通功能，將來自無線數(shù)據(jù)記錄器（探頭）單總線的高低電平數(shù)據(jù)通過LM311電壓比較器的比較來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和STM32單片機(jī)的交互，完成數(shù)據(jù)的讀取。然后無線讀數(shù)臺(tái)利用USB的FT232電路將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)分析處理。無線讀數(shù)臺(tái)部分原理圖如圖1所示。

圖1 無線讀數(shù)臺(tái)原理圖

3   無線數(shù)據(jù)記錄器

無線數(shù)據(jù)記錄器（探頭）為執(zhí)行數(shù)據(jù)記錄方案的最終單位，按照編制的方案離線進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。無線數(shù)據(jù)記錄器也是基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)的，其中包括單片機(jī)STM32及模擬轉(zhuǎn)換器AD7798BRUZ、溫度傳感器PT1000、電源電池處理電路及單總線結(jié)構(gòu)等。無線數(shù)據(jù)記錄器主要利用溫度傳感器PT1000將高溫采集到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)AD7798BRUZ模數(shù)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)在電路中，只有等來自上位機(jī)的應(yīng)答信號(hào)經(jīng)無線讀數(shù)臺(tái)才能將采集到的數(shù)據(jù)重現(xiàn)和分析?？紤]到省電和工作時(shí)長(zhǎng)要求，平時(shí)無線數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換電路處于工作狀態(tài)。要想讀取無線數(shù)據(jù)記錄器里面的數(shù)據(jù)應(yīng)該先喚醒它，圖2是無線數(shù)據(jù)記錄器（探頭）喚醒示意圖。

圖2 探頭喚醒示意圖

4   上位機(jī)軟件

4.1 上位機(jī)界面

上位機(jī)界面是通過USB與無線讀數(shù)臺(tái)連接，上位機(jī)軟件為人機(jī)界面，用于編制方案、上傳數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、生成報(bào)告等。除此之外，上位機(jī)還可以進(jìn)行用戶信息的維護(hù)、用戶增加、密碼修改等操作，用來保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私，不會(huì)泄露；將數(shù)據(jù)導(dǎo)出PDF報(bào)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(duì)比分析等功能；另外可以將數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改升級(jí)等滿足各種客戶的需求。圖3是上位機(jī)界面工作示意圖。

圖3 上位機(jī)界面示意圖

4.2 通訊協(xié)議

1)物理接口

通信口采用專用單總線接口，上位機(jī)等效為串口。信息傳輸方式為異步方式，起始位1位，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)傳輸速率為57.6 kbit/s。

2)外部接口

上位機(jī)與無線讀數(shù)臺(tái)、無線數(shù)據(jù)記錄器（探頭）之間的通信采用主從方式，上位機(jī)呼叫無線讀數(shù)臺(tái)和探頭并下發(fā)命令，無線讀數(shù)臺(tái)和探頭收到命令后返回相應(yīng)信息。若上位機(jī)在100 ms內(nèi)收不到響應(yīng)信息或接收響應(yīng)信息錯(cuò)誤，則認(rèn)為本次通信過程失敗。

3)通訊功能簡(jiǎn)述

通訊功能如表2所示。

4.3系統(tǒng)異常處理

讀數(shù)臺(tái)運(yùn)行過程中接收到數(shù)據(jù)有LED進(jìn)行提示，校驗(yàn)通過或產(chǎn)生錯(cuò)誤也通過LED進(jìn)行指示。探頭通過上電瞬間發(fā)送WakeUP信號(hào)，方便后續(xù)故障排查和維護(hù)。為了系統(tǒng)維護(hù)的方便 ，通過與上位機(jī)輪詢應(yīng)答保證在線狀態(tài)，并對(duì)讀數(shù)臺(tái)進(jìn)行總線電壓檢測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)并上傳。

5   結(jié)語

無線溫度驗(yàn)證儀系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)單高效的高溫濕熱滅菌檢測(cè)系統(tǒng)，通過無線數(shù)據(jù)記錄器（探頭）的實(shí)時(shí)測(cè)量，最后通過無線讀數(shù)臺(tái)將測(cè)量數(shù)據(jù)讀取出來，并通過上位機(jī)軟件導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析、對(duì)比以及保存，還可以查詢以及完成數(shù)據(jù)列表、生成驗(yàn)證報(bào)告等功能。將高溫濕熱滅菌的效果通過數(shù)據(jù)重現(xiàn)，對(duì)于確保持續(xù)穩(wěn)定的滅菌效果給予保證，目前該技術(shù)已經(jīng)通過本公司自己的努力，逐漸克服了系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)，而且還將功能得到來進(jìn)一步提升，能根據(jù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的需求，將上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行各種改進(jìn)及升級(jí)，滿足各醫(yī)療機(jī)構(gòu)獨(dú)特的要求。將系統(tǒng)的應(yīng)用廣泛性和技術(shù)指標(biāo)提高到一個(gè)新的水平，并有良好的市場(chǎng)。

但是，該系統(tǒng)仍然受到個(gè)別技術(shù)問題的困擾，例如無線數(shù)據(jù)記錄器（探頭）依靠電池供電，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較狹窄，所采用電池電量就相應(yīng)較小，雖然探頭內(nèi)部也采用了休眠系統(tǒng)減少耗電，時(shí)間長(zhǎng)了難免電池還會(huì)耗盡，必須回廠更換新的電池。相信隨著技術(shù)水平的提高，會(huì)有更好性能電池研究出來，以減少回廠保養(yǎng)的頻率，另外也會(huì)考慮更換一種可充電電池，通過單總線結(jié)構(gòu)既能采集數(shù)據(jù)，還能給探頭內(nèi)部電池間斷充電。將來，會(huì)努力解決不足，以進(jìn)一步改善系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)用持久性。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年9月期）