便携式高精度电子肺活量计的设计与实现
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摘要
随着全民健身计划的提出以及《学生体质健康标准》试行方案的出台，市场上对肺活量计产品的需求量越来越大。然而我国的体质检测仪器与国外相比还比较落后，如肺活量计还沿用三十年前的机械式产品。市场上急需一种可以替代现有产品的便携式电子肺活量计。
本文论述了一种便携式，精度高于现在普遍使用的机械式容积测定型肺活量计的新型电子肺活量计的设计和实现方法。它主要包括以下三个方面的内容：
节流装置的设计——本设计以标准圆锥文丘利节流管为原型，在标准设计的基础上，缩小了尺寸，增大了节流装置的口径比，设计出一种非标准尺寸的节流装置。其公称通径为10mm，仅是标准圆锥文丘利截流管通径的1╱10～1╱100，体积小，便于携带，适合于便携式仪器上使用。
硬件系统——为了提高测量精度和系统的稳定性，硬件系统尽量选用了高集成、高稳定的集成电路设计，结构紧凑。其主要包括扩散硅差压传感器、仪表放大器、采样保持器、双积分A／D转换器、微控制器、低压电子开关、稳压器、液晶显示器和μP监控电路。其突出特性体现在：
(1)采用高精度恒流源为传感器电桥供电，为传感器提供了更好的温度补偿。
(2)仪表放大器与电桥传感器配合，有效地抑制了共模信号，而且高输入阻抗的仪表放大器使放大电路效果更理想。
(3)采样保持器有效地消除了A／D转换期间所附带的孔径误差。
(4)双积分A／D转换器与MCU内部软件配合，降低了成本。
(5)μP监控电路提供了电源电压检测和看门狗电路，使MCU软件工作更稳定可靠。
(6)采用低功耗、低压差稳压器，使电池工作更持久。
软件设计——软件分为两个模块：①运行于PC机的算法标定软件，其功能主要是用来确定气体流经节流装置时差压和流量的函数关系，解决了使用非标准尺寸文丘利节流装置的补偿问题。②固化于MCU中的系统测量软件。该软件除了完成基本的测量功能外，还合理地利用了MCU的软件休眠技术，降低了系统功耗。同时测量软件中还增加了异步通信接口，使测量数据可以直接输出，为将来联网测试奠定了基础。
在有限的时间和经费下，经过不断的努力，克服许多困难，最后终于完成了可以产品化的新型便携式高精度电子肺活量计的设计任务。该产品在5～35℃的温度范围内，其测量精度可以达到±1％FS。
The development of a portable digital electric spirometer with improved accuracy is described in this paper. A differential pressure sensor is used to detect the gas flow rate. The pressure sensor includes correction factor to compensate for temperature-related volume changes due to cooling of expired gas. Relation information between differential pressure and flow volume is analyzed by mathematical model, which is achieved by means of successive approximation algorithm by segment and implemented by using Visual Basic program. Reduction and selection of a parameter set is the purpose of the algorithm. Regression analysis shows that the properties of the airways were well approximated by exponential functions. Some other dependencies between mechanical quantities and flow volume were also included.
The system includes a blocking unit which is different from traditional ones. The diameter of the blocking unit is less than traditional ones more. A differential pressure sensor (1210D-2psi) manufactured by 1C Sensors is used in this electric spirometer. Besides the signal detector (the sensor 1210D) which has a inside resistance to adjust amplifier gain, the system also includes the following hardware: an instrument amplifier, a sampling-holding unit which can decrease the sampling frequency, a negative to positive integral analog-to-digital converter, a EEPROM CMOS chip 24C01 to store revising parameter, a uP supervisor circuits MAX813L which provides four functions: a reset output; an independent watchdog output; an active-low manual-reset input; a 1.25V threshold detector for power-fail warning, a power unit TPS76050, a single chip microprocessor 78E58 manufactured by Winbond and a LCD display for portable instrument drove by HT1621 manufactured HOLTEK. Auto zero drift compensation is provided by addition of a signal having an adjusted DC value. The instrument is used to replace the existing old one.
本文论述了一种便携式，精度高于现在普遍使用的机械式容积测定型肺活量计的新型电子肺活量计的设计和实现方法。它主要包括以下三个方面的内容：
节流装置的设计——本设计以标准圆锥文丘利节流管为原型，在标准设计的基础上，缩小了尺寸，增大了节流装置的口径比，设计出一种非标准尺寸的节流装置。其公称通径为10mm，仅是标准圆锥文丘利截流管通径的1╱10～1╱100，体积小，便于携带，适合于便携式仪器上使用。
硬件系统——为了提高测量精度和系统的稳定性，硬件系统尽量选用了高集成、高稳定的集成电路设计，结构紧凑。其主要包括扩散硅差压传感器、仪表放大器、采样保持器、双积分A／D转换器、微控制器、低压电子开关、稳压器、液晶显示器和μP监控电路。其突出特性体现在：
(1)采用高精度恒流源为传感器电桥供电，为传感器提供了更好的温度补偿。
(2)仪表放大器与电桥传感器配合，有效地抑制了共模信号，而且高输入阻抗的仪表放大器使放大电路效果更理想。
(3)采样保持器有效地消除了A／D转换期间所附带的孔径误差。
(4)双积分A／D转换器与MCU内部软件配合，降低了成本。
(5)μP监控电路提供了电源电压检测和看门狗电路，使MCU软件工作更稳定可靠。
(6)采用低功耗、低压差稳压器，使电池工作更持久。
软件设计——软件分为两个模块：①运行于PC机的算法标定软件，其功能主要是用来确定气体流经节流装置时差压和流量的函数关系，解决了使用非标准尺寸文丘利节流装置的补偿问题。②固化于MCU中的系统测量软件。该软件除了完成基本的测量功能外，还合理地利用了MCU的软件休眠技术，降低了系统功耗。同时测量软件中还增加了异步通信接口，使测量数据可以直接输出，为将来联网测试奠定了基础。
在有限的时间和经费下，经过不断的努力，克服许多困难，最后终于完成了可以产品化的新型便携式高精度电子肺活量计的设计任务。该产品在5～35℃的温度范围内，其测量精度可以达到±1％FS。
The development of a portable digital electric spirometer with improved accuracy is described in this paper. A differential pressure sensor is used to detect the gas flow rate. The pressure sensor includes correction factor to compensate for temperature-related volume changes due to cooling of expired gas. Relation information between differential pressure and flow volume is analyzed by mathematical model, which is achieved by means of successive approximation algorithm by segment and implemented by using Visual Basic program. Reduction and selection of a parameter set is the purpose of the algorithm. Regression analysis shows that the properties of the airways were well approximated by exponential functions. Some other dependencies between mechanical quantities and flow volume were also included.
The system includes a blocking unit which is different from traditional ones. The diameter of the blocking unit is less than traditional ones more. A differential pressure sensor (1210D-2psi) manufactured by 1C Sensors is used in this electric spirometer. Besides the signal detector (the sensor 1210D) which has a inside resistance to adjust amplifier gain, the system also includes the following hardware: an instrument amplifier, a sampling-holding unit which can decrease the sampling frequency, a negative to positive integral analog-to-digital converter, a EEPROM CMOS chip 24C01 to store revising parameter, a uP supervisor circuits MAX813L which provides four functions: a reset output; an independent watchdog output; an active-low manual-reset input; a 1.25V threshold detector for power-fail warning, a power unit TPS76050, a single chip microprocessor 78E58 manufactured by Winbond and a LCD display for portable instrument drove by HT1621 manufactured HOLTEK. Auto zero drift compensation is provided by addition of a signal having an adjusted DC value. The instrument is used to replace the existing old one.
引文
(1) 郑劲平．肺功能检测原理与常用仪器．医疗器械，1999年，第23卷第5期：第284～288页
(2) 王铁军，凌秀珠，邬金珠，董鹤嘉．五种肺功能仪之定标值比较研究．医疗器械，1992年，第16卷第6期：第344～345页
(3) Abboud, Shimona; Witman, Simaa; Rosenfeld, Mosheb; Guber, Alexanderc; Zissin, Rivkad; Bruderman, Israel, The forced expiratory volume-time curve estimation using the electrocardiogram, Computers in Biology and Medicine. Vol: 28, Issue: 3, May, 1998 pp. 193-206.
(4) Filmyer, William G.; Sardar, Ajoy; Weissman, Charles, Respiratory flow measurements and anesthetic drugs: some in vitro observations, Journal of Clinical Anesthesia Vol: 11, Issue: 5, August, 1999 pp.355-359.
(5) Hankinson, J.; Viola, J.O; Morgantown, E.T., Portable spirometer with improved accuracy, Flow Measurement and Instrumentation. Vol: 8, Issue: 1, March, 1997 pp.57.
(6) Linn, W.S. a; Solomon, J.C. a; Gong Jr, H.a, Temperature standardization of multiple spirometers, Occupational Health and Industrial Medicine. Vol: 35, Issue: 1, 1998 pp.34-35.
(7) Polak, Adam G.a, A forward model for maximum expiration, Computers in Biology and Medicine. Vol: 28, Issue: 6, November, 1998 pp.613-625.
(8) Polak, Adam G.a; Mroczka, Janusza, A metrological model for maximum expiration, Measurement. Vol: 23, Issue: 4, June, 1998 pp.265-270.
(9) R.K. Lambert; T.A. Wilson; R.E. Hyatt; J.R. Rodarte, A computational model for expiratory flow, J. Appl. Physiol.; Resp. Environ. Ex. Physiol. Vol: 52, Issue 1, 1982 pp. 44-56.
(10) R.K. Lambert, Sensitivity and specificity of the cmputational model for maximal expiratory flow, J. Appl. Physiol. Vol: 57, Issue 4, 1984 pp. 958-970.
(11) IC Sensors Inc．美国ICSensors公司压力传感器、变送器、加速度计、硅微控制阀选型样本．北京：北京新大云传感技术工程公司，1993年．Model 1210，TN—001，TN—002，TN—003
(12) Motorola Inc．美国MOTOROLA MPX压力传感器参数手册．北京：中国电子器材总公司测控技术部，北京诺金电子科技发展有限公司，1998年。第1页，第20～31页
(13) Honeywell Inc．压力传感器．北京：霍尼韦尔中国公司．，1997年6月．第7页，第40～47页
(14) SILICON MICROSTRUCTURES INCORPORATED. SMI压力传感器及加速度计．北京：北京圣业科技发展有限公司传感器事业部，1998年．第14～15页
(15) 管致中．电子测量仪器实用大全．第一版．南京：东南大学出版社，1995年8月．第1388～1427页
(16) V.L. Streeter, E.B. Wylie, 周均长，郝中堂，冯士明，钟学正，郑文康．流体力学．第1版．北京：高等教育出版社，1987年．第140～142页，第254～259页
(17) 李士豪．流体力学．第1版．北京：高等教育出版社，1990年4月．第9～12页，第229～234页
(18) 王福瑞．单片微机测控系统设计大全．第1版．北京：北京航空航天大学出版社，1998年4月．第28～29页
(19) 于立民．I~2C总线应用系统设计．第1版．北京：北京航空航天大学出版社，1995年2月．第13～22页，第177～189页
(20) 李华．MCS-51系列单片机实用接口技术．第1版．北京：北京航空航天大学出版社，1993年8月．
(21) 陈宝江，翟勇，张幽彤，杜庆柏．MCS单片机应用系统实用指南．第1版．北京：机械工业出版社，1997年7月．第483～493页
(22) 孙肖子，刘刚，孙万荣．传感器及其应用．第1版．北京：电子工业出版社，1996年1月．第13～17页，第114～119页
(23) 何稀才．传感器及其应用．第1版．北京：国防工业出版社，2001年5月．第182～185页
(24) 黄继昌，徐巧鱼，张海贵，郭继忠，傅润何．传感器工作原理及应用实例．第1版．北京：人民邮电出版社，1998年12月．第333页
(25) Lin, Chii-wann (Natl Taiwan Univ); Wang, Di-Ho; Wang, hao-Chien; Wu, Huey-Dong, Prototype development of digital spirometer, Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology-Proceedings v 4 Oct 29-Nov 1 1998.
(26) J. Mroczka; A.g. Polak, Non-invasive method for measurement of respiratory system parameters. Proceedings of the ⅩⅢ IMEKO World Congress, Torino, Italy, 5-9 September 1994, Vol. 2, pp. 1561-1565.
(2) 王铁军，凌秀珠，邬金珠，董鹤嘉．五种肺功能仪之定标值比较研究．医疗器械，1992年，第16卷第6期：第344～345页
(3) Abboud, Shimona; Witman, Simaa; Rosenfeld, Mosheb; Guber, Alexanderc; Zissin, Rivkad; Bruderman, Israel, The forced expiratory volume-time curve estimation using the electrocardiogram, Computers in Biology and Medicine. Vol: 28, Issue: 3, May, 1998 pp. 193-206.
(4) Filmyer, William G.; Sardar, Ajoy; Weissman, Charles, Respiratory flow measurements and anesthetic drugs: some in vitro observations, Journal of Clinical Anesthesia Vol: 11, Issue: 5, August, 1999 pp.355-359.
(5) Hankinson, J.; Viola, J.O; Morgantown, E.T., Portable spirometer with improved accuracy, Flow Measurement and Instrumentation. Vol: 8, Issue: 1, March, 1997 pp.57.
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(7) Polak, Adam G.a, A forward model for maximum expiration, Computers in Biology and Medicine. Vol: 28, Issue: 6, November, 1998 pp.613-625.
(8) Polak, Adam G.a; Mroczka, Janusza, A metrological model for maximum expiration, Measurement. Vol: 23, Issue: 4, June, 1998 pp.265-270.
(9) R.K. Lambert; T.A. Wilson; R.E. Hyatt; J.R. Rodarte, A computational model for expiratory flow, J. Appl. Physiol.; Resp. Environ. Ex. Physiol. Vol: 52, Issue 1, 1982 pp. 44-56.
(10) R.K. Lambert, Sensitivity and specificity of the cmputational model for maximal expiratory flow, J. Appl. Physiol. Vol: 57, Issue 4, 1984 pp. 958-970.
(11) IC Sensors Inc．美国ICSensors公司压力传感器、变送器、加速度计、硅微控制阀选型样本．北京：北京新大云传感技术工程公司，1993年．Model 1210，TN—001，TN—002，TN—003
(12) Motorola Inc．美国MOTOROLA MPX压力传感器参数手册．北京：中国电子器材总公司测控技术部，北京诺金电子科技发展有限公司，1998年。第1页，第20～31页
(13) Honeywell Inc．压力传感器．北京：霍尼韦尔中国公司．，1997年6月．第7页，第40～47页
(14) SILICON MICROSTRUCTURES INCORPORATED. SMI压力传感器及加速度计．北京：北京圣业科技发展有限公司传感器事业部，1998年．第14～15页
(15) 管致中．电子测量仪器实用大全．第一版．南京：东南大学出版社，1995年8月．第1388～1427页
(16) V.L. Streeter, E.B. Wylie, 周均长，郝中堂，冯士明，钟学正，郑文康．流体力学．第1版．北京：高等教育出版社，1987年．第140～142页，第254～259页
(17) 李士豪．流体力学．第1版．北京：高等教育出版社，1990年4月．第9～12页，第229～234页
(18) 王福瑞．单片微机测控系统设计大全．第1版．北京：北京航空航天大学出版社，1998年4月．第28～29页
(19) 于立民．I~2C总线应用系统设计．第1版．北京：北京航空航天大学出版社，1995年2月．第13～22页，第177～189页
(20) 李华．MCS-51系列单片机实用接口技术．第1版．北京：北京航空航天大学出版社，1993年8月．
(21) 陈宝江，翟勇，张幽彤，杜庆柏．MCS单片机应用系统实用指南．第1版．北京：机械工业出版社，1997年7月．第483～493页
(22) 孙肖子，刘刚，孙万荣．传感器及其应用．第1版．北京：电子工业出版社，1996年1月．第13～17页，第114～119页
(23) 何稀才．传感器及其应用．第1版．北京：国防工业出版社，2001年5月．第182～185页
(24) 黄继昌，徐巧鱼，张海贵，郭继忠，傅润何．传感器工作原理及应用实例．第1版．北京：人民邮电出版社，1998年12月．第333页
(25) Lin, Chii-wann (Natl Taiwan Univ); Wang, Di-Ho; Wang, hao-Chien; Wu, Huey-Dong, Prototype development of digital spirometer, Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology-Proceedings v 4 Oct 29-Nov 1 1998.
(26) J. Mroczka; A.g. Polak, Non-invasive method for measurement of respiratory system parameters. Proceedings of the ⅩⅢ IMEKO World Congress, Torino, Italy, 5-9 September 1994, Vol. 2, pp. 1561-1565.