基于STM32醫(yī)療電子嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

本文研制了一套功能全備的醫(yī)療電子嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺，該平臺采用目前市面上流行的基于 Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３內(nèi)核的STM32 嵌入式單片機(jī)作為主控芯片，配合多種嵌入式系統(tǒng)通用技術(shù)模塊，同時(shí)加入了生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)特色的醫(yī)學(xué)生理參數(shù)模塊。

1 平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺采用意法半導(dǎo)體公司 STM32 嵌入式單片機(jī)，作為一款工業(yè)領(lǐng)域常用的微控制器，該芯片高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有很強(qiáng)的實(shí)用性。平臺外部搭載觸控液晶屏、７ 段數(shù)碼管、流水燈、蜂鳴器、ＲＧＢ、鍵盤、步進(jìn)電機(jī)、藍(lán)牙、ＷＩＦＩ等通用性實(shí)驗(yàn)?zāi)K，同時(shí)配置了血壓、心電、血氧飽和度、體溫等生理參數(shù)模塊見圖１。

圖１ 系統(tǒng)功能模塊

1.1 基于 Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３內(nèi)核的最小系統(tǒng)模塊

該平臺的最小系統(tǒng)模塊由基于 Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３ 內(nèi)核的 STM32Ｆ１０３ＺＥＴ６ 嵌入式單片機(jī)、多 通道電源模塊、晶 振 和 ＲＳＴ 等 組 成。 該 單 片 機(jī) 內(nèi) 置 ５１２ ｋＢ Ｆｌａｓｈ，最高支持７２ ＭＨｚ工作頻率，內(nèi)置４ 個１６ 位定時(shí)器，１２通道的 ＤＭＡ 控制器，３ 路１２ 位 ＡＤ 轉(zhuǎn)換器，并有多達(dá) １１２ 個快速 Ｉ／Ｏ 端口，支 持 Ｉ２ Ｃ、ＵＡＲＴ、 ＣＡＮ、ＵＳＢ 等多種通信接口。鑒于該單片機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的廣泛性，本平臺特意選取其為主控芯片。

系統(tǒng)的電源部分采用２４ Ｖ／３ Ａ 電源適配器進(jìn)行外部供電，其輸出功率保證了實(shí)驗(yàn)平臺各種大功率器件（步進(jìn)電機(jī)、觸控液晶屏等）正常運(yùn)行。平臺內(nèi)部電源模塊采用 ＬＭ２５９６和 ＡＭＳ１１１７等不同類型的電源芯片，形成＋２４Ｖ、＋１２ Ｖ、＋５ Ｖ、＋３．３ Ｖ、＋１．８ Ｖ等電源網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是，功率器件和普通ＩＣ 器件在接地時(shí)，需要將兩種地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分開布線，并用磁珠進(jìn)行隔離，以防止影響芯片的穩(wěn)定性。

1.2 輸入控制模塊

系統(tǒng)的輸入控制模塊包括常用的矩陣鍵盤、撥位開關(guān)、和模擬／數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器等傳統(tǒng)的通用技術(shù)模塊，還增加了儀器中常見的光耦開關(guān)模塊。該模塊主要實(shí)現(xiàn)輸入或者采集操作。

1.3 輸出控制模塊

本平臺的通用輸出控制模塊功能十分強(qiáng)大，不僅包含通用的蜂鳴器、ＬＥＤ 流水燈、７段數(shù)碼管等嵌入式實(shí)驗(yàn)平臺常用部件，還增加了例如 ＲＧＢ 燈珠、高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、彩色觸控液晶屏等當(dāng)今醫(yī)療電子設(shè)備中的常用器件。使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中熟悉這些模塊的控制和操作，以便在日后的工作中更好地運(yùn)用。

1.4 通信模塊

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，傳統(tǒng)單片機(jī)基于串口的單一通信模式已經(jīng)不能滿足社會對于電子產(chǎn)品的需求。針對此情況，本平臺設(shè)計(jì)了多種通信模塊，使學(xué) 生在學(xué)習(xí)時(shí)，不僅可以使用串口、ＵＳＢ 模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信，也可以使用藍(lán)牙、ＷＩＦＩ等無線通信模塊，與手機(jī)、平板電腦進(jìn)行協(xié)同開發(fā)。以多種通信方式開 發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升學(xué)生的綜合競爭力。

2 醫(yī)療電子部件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺的醫(yī)療電子部件選用深圳大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)中心自主研發(fā)的生理參數(shù)模塊（見圖２），其集成了血壓、心電、血氧飽和度、體溫、呼吸等多種測 量模塊于一體的綜合性功能模塊，可同時(shí)完成多項(xiàng)生 命體征監(jiān)測任務(wù)。該模塊通過串口與主控芯片進(jìn)行數(shù) 據(jù)傳輸，并可將測量結(jié)果顯示在觸控液晶屏上。

圖２ 實(shí)驗(yàn)中心自主研發(fā)的生理參數(shù)模塊

2.1 血壓測量模塊

血壓測量模塊包括充氣泵、電磁閥、壓力傳感器等裝置，該模塊具有收縮壓、平均壓、舒張壓和脈率等參數(shù)的監(jiān)測功能，血壓測量范圍可達(dá)０～３００ ｍｍＨｇ，精度±２ ｍｍＨｇ。學(xué)生通過學(xué)習(xí)各種裝置的使用來完成人體血壓測量，并將袖帶壓、脈率數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到液晶屏上。

2.2 心電信號測量模塊

心電信號測量模塊采用３ 導(dǎo)聯(lián)獨(dú)立通道，可同時(shí)監(jiān)測３路心電數(shù)據(jù)，并帶有１ 路呼吸參數(shù)，２ 路體溫監(jiān)測功能，可設(shè)置為診斷、監(jiān)護(hù)、ＨＡＲＤＥＳＴ 和手術(shù)測量模式，并支持心律失常診斷監(jiān)護(hù)。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，不僅可以將多路心電信號顯示在液晶屏上，也可以通過藍(lán)牙、ＷＩＦＩ等多種通信模塊發(fā)送到電腦和手機(jī)上，為他們今后研發(fā)可穿戴醫(yī)療設(shè)備、ＰＯＣＴ 型儀器等打下基礎(chǔ)。

2.3 血氧飽和度測量模塊

血氧飽和度測量模塊采用基于紅外光譜吸收的光學(xué)傳感器，擁有脈搏氧、脈率和灌注指數(shù)的監(jiān)測功能， 通過 ＡＤ 轉(zhuǎn)換器與主控模塊連接，可實(shí)時(shí)傳輸基于紅外光譜吸收的脈搏波信號。該模塊的測量精度可達(dá)± ２％，并且采用先進(jìn)的抗運(yùn)動算法，具有強(qiáng)抗運(yùn)動性能。