基于STM32除颤脉冲能量测量系统的研究

张亚冬，李岩峰，贾建革，武文君，邵海明

基于STM32除颤脉冲能量测量系统的研究

张亚冬，李岩峰，贾建革，武文君，邵海明

目的：研究基于STM32的除颤能量测试系统，该系统能精确测量除颤脉冲能量且不受负载电阻精度影响。方法：电压电流检测电路和前端信号调理电路将除颤脉冲电压和电流分别转换为不超过±2.5 V的电压信号，经模数转换后传送至微处理器STM32中计算处理并通过液晶显示结果。结果：该系统能量测试结果与常规除颤器分析仪基本一致。结论：研制的除颤脉冲能量测试系统能准确测量除颤能量且不受负载电阻精度和分布电感、电容的影响，为除颤能量计量溯源提供了更好的平台。

除颤；脉冲能量；能量测试；STM32

0 引言

除颤器是现代医学中不可或缺的急救设备之一，它通过向患者心脏部位释放较强且能量可控的脉冲电流，从而消除心律失常、恢复窦性心律[1]。除颤器释放能量准确度直接影响抢救成功率，能量过小不能达到除颤效果，能量过大会对患者心肌细胞造成不可恢复的损伤。因此，释放能量准确度成为除颤器计量校准的一个重要参数。

1 系统概述

本系统主要由微处理器（microcontrolunit，MCU）、模数转换（analog to digital，A/D）、电压电流检测、前端信号调理、电源、液晶显示、隔离电路和保护电路模块组成。系统框图如图1所示。

图1 能量测试系统框图

对50 Ω人体模拟电阻释放除颤脉冲时，电压电流检测模块同时检测脉冲电压和电流，并由信号调理模块调理为最大值约为±2.5 V的电压信号，再经保护电路送入A/D转换模块。微处理器STM32为系统核心，控制A/D转换、液晶显示。系统检测到除颤脉冲后进入中断处理程序，对采样数据进行分析、存储和计算，并通过液晶显示能量计算结果。

2 硬件设计

系统硬件部分主要包括电压电流检测电路、A/D转换电路、STM32外围电路以及隔离保护电路等。

2.1 电压电流检测电路

电压电流检测电路利用分压电阻和电流检测电阻将高达数千伏的电压和数十安培的电流转换为A/D芯片能够精确采样的电压信号。电压电流检测电路由1%精度无感电阻设计而成（如图2所示）。

图2 电压电流检测电路

电压检测电路分压比为

为尽量减小电流检测电阻对除颤脉冲信号的影响，本系统电流检测电路由4个10 MΩ电阻并联而成。电流检测电路阻值计算公式为

除颤器释放脉冲电压最大值可达5 kV，除颤分析仪中人体模拟电阻一般选50 Ω[4]，所以除颤脉冲电流最大约为100 A，电流检测电路转换后电压信号最大为0.25 V。为提高A/D转换精确度，应使输入端电压信号尽量满量程，所以电流检测电路输出的电压信号还需经过信号调理电路放大处理。信号调理模块由低噪声、精密且高速的运算放大器OP37组成。OP37运放转换率高达17 V/μs，增益带宽高达63 MHz。信号调理电路放大倍数为

2.2 A/D转换电路

电压电流检测电路将除颤脉冲电压电流分别转换为不大于±2.5 V的电压信号，经A/D采样转换为数字信号传送至微处理器STM32中计算处理。系统主控制芯片STM32具有很强的运算能力和丰富的A/D转换通道，但考虑到除颤脉冲瞬时性且要采集大量数据用以分析计算，所以A/D转换模块选取16位8通道专用模数转换芯片ADS8345，其转换速率高达100 kHz。模数转换电路与微处理器连接如图3所示。

A/D转换基准电压要求非常稳定[5]，该模块转换基准电压由专用稳压电路提供2.5 V参考电压。A/D芯片供电电压为5 V，通道A0和A1分别为除颤脉冲电压和电流信号输入通道。

A/D转换时首先由主控制芯片STM32提供时钟、片选信号以及通道初始化信息，再按照设置的采样频率将模拟电压信号采样转换成数字信号并传送至STM32计算处理。

2.3 STM32外围电路

STM32单片机为系统主控制芯片，该系列单片机是基于Cortex-M3内核，融合ARM和ST技术设计而成的微处理器。其时钟频率最高达72MHz，具有高性能、低成本、低功耗等优点，是嵌入式应用设计中良好的选择[6-7]。STM32外围电路如图4所示。

图3 A/D转换电路

图4STM32外围电路

STM32采用3.3 V电源供电，每个电源引脚与地之间都连接一个滤波钽电容和去耦陶瓷电容以确保单片机供电电源稳定。芯片外接8 MHz晶振，经时钟倍频、分频后作为系统时钟来源。程序下载选用JTAG模式，将编译文件通过J-Link V8 ARM仿真器下载到芯片主闪存存储器。程序下载后BOOT0、BOOT1都设为低电平，正常工作时，每次复位后都从主闪存存储器读取启动程序。

主控制芯片通过串行外设接口SPI1与A/D转换模块双向通信，其中STM32为主设备，ADS8345为从设备。采用带有串行输入接口功能的LCM12864ZK液晶显示屏，通过通用同步异步收发器USART1与STM32芯片连接，显示计算结果。

2.4 隔离、保护电路

除颤器释放瞬时高电压大电流信号，在电压电流检测电路与A/D转换电路之间加入保护电路，以确保输入A/D转换芯片的电压不超过最大线性工作范围。电压保护电路选用稳压二极管LM385-2.5控制保护电路输出电压不超过±2.5 V。

为防止高幅度、高频率的除颤脉冲反馈到微处理器模块损坏STM32芯片，在微处理器模块与A/D转换模块之间加入双通道数字隔离器1201ARZ。该隔离器将高速CMOS与单芯片变压器技术融为一体，性能优于以往的光耦合器件。

3 软件设计

系统软件主要由初始化程序和中断程序组成，完成整个系统控制和数据处理等功能。该软件是在ARM集成开发环境Keil MDK中编写和调试而成。

3.1 初始化程序

初始化程序首先设置系统时钟、定时器、I/O端口等控制寄存器，然后再配置SPI1、USART1等数据通信模式并初始化对应的A/D转换和液晶显示模块。A/D转换芯片初始化包括通道选择、芯片时钟、采样频率、采样数据的存储以及发送格式的设置。最后完成中断控制寄存器初始化并等待中断。

3.2 中断程序

系统检测到电压大于设置的触发电平时打开系统中断处理程序，其流程如图5所示。

图5 中断程序流程图

脉冲能量计算公式为其中，Ui、Ii分别为第i个采样电压和电流；n为最大采样数；Δt为采样时间间隔。

4 测试结果

该测试系统与除颤器分析仪QA-45同时测量不同能量挡释放的能量，每个能量挡测量6组数据。除颤器分析仪测量精度为±5%或者±2 J，低能量挡（小于50 J）取绝对误差，高能量挡取相对误差。测试结果见表1。

表1 系统能量测试结果

两种方法能量测试结果平均值误差都在除颤器分析仪测量精度范围之内。6次测量误差的标准差低能量挡（小于50 J）都小于0.1 J，高能量挡都小于1.5%，说明该系统具有良好的重复性。

5 结论

除颤器分析仪中50 Ω人体模拟负载电阻需要功率大，存在较大分布电感和电容。传统除颤能量计算方法存在缺陷，分布电感、电容对能量计算结果产生干扰较强。本文研究的测试系统脉冲能量计算方法为能量值算法不受负载电阻R精度以及分布电感、电容的影响，为课题组后续研究除颤脉冲能量计量溯源提供了更好的平台。

[1]张亮，许军.除颤监护仪的校准及注意事项[J].医疗卫生装备，2013，34（9）：116-118.

[2]尹晓峰，高媛，江玉柱，等.基于层次分析法的除颤器使用风险影响因素研究[J].医疗卫生装备，2013，34（7）：115-116.

[3]郝魁红，王化祥，任思明.便携式心脏除颤器/除颤监护器分析仪[J].现代仪器，2003（4）：37-39.

[4]郝魁红，王化祥，任思明，等.心脏除颤器测试分析仪[J].仪器仪表学报，2003，24（4）：399-402.

[5]曾永红，曾延安.AD7714在高精度测量系统中的应用[J].电子技术，2001，28（11）：55-57.

[6]宋敬卫，付广春，马献国.基于STM32的多路电压采集研究[J].电子世界，2013（12）：55-56.

[7]季力.基于STM32芯片的电参数测量与数据传输[J].自动化与仪器仪表，2010（3）：137-139.

（收稿：2014-06-26 修回：2014-10-15）

Development of pulse energy testing system based on STM32

ZHANG Ya-dong1,LI Yan-feng2,JIA Jian-ge2,WU Wen-jun2,SHAO Hai-ming3
（1.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032，China;2.Institute for Drug and Instrument Control,Department of Health of General Logistics of the PLA,Beijing 100071,China;3.National Institute of Metrology,Beijing 100013,China）

ObjectiveTo develop a STM32-based energy testing system to measure pulse energy accurately and independently from load resistance.MethodsPulse voltage and current of defibrillation were turned to voltage signal within the scope of±2.5 V through voltage and current detecting circuit.Then analogy voltage signals were sampled and converted to digital ones.Computation and analysis were completed by microprocessor STM32 and displayed by LCD. ResultsThe test result from this system was consistent with the result form defibrillation analyzer.ConclusionThe energy testing system can measure pulse energy accurately and the result is independent of load resistant,which presents a technique for defibrillation energy meterage.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：8-10]

defibrillation;pulse energy;energy testing;STM32

TM531.2；R318.6

A

1003-8868（2015）01-0008-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.008

国家科技支撑计划课题（2011BAI02B04）；军事医学计量科研专项课题（2011-JL2-062）

张亚冬（1985—），男，主要研究方向为卫生装备质量控制检测，E-mail：zhydbb@163.com。

710032西安，第四军医大学生物医学工程学院（张亚冬）；100071北京，总后勤部卫生部药品仪器检验所（李岩峰，贾建革，武文君）；100013北京，中国计量科学研究院（邵海明）

贾建革，E-mail：jjg1966@sina.cn；邵海明，E-mail：shaohm@nim.ac.cn