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基于PID控制的便携式CPAP呼吸机设计.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.36M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    5 10 15 20 25 30 35 40 (Biomedical Engineering,Computer and Information Technology Institute,Beijing Jiaotong controller Bao Han, Zhao Shouguo University, Beijing 100044) 中国科技论文在线 基于 PID 控制的便携式 CPAP 呼吸机设计 http://www.paper.edu.cn 包涵，赵守国** （北京交通大学计算机与信息技术学院，生物医学工程系，北京 100044） 摘要：OSAS 疾病严重影响人类睡眠和身体健康，利用 CPAP 对之进行治疗是公认的最为有效 和安全的方法。本文主要讨论采用 1210 型中压压力传感器，MC9S08AC32 作为主控单片机， MC33035DW 驱动风机，由常规的 PID 控制器操纵控制模块，设计便携式 CPAP 呼吸机，使其 具备性能可靠稳定、操作人性化、开发价格低廉、方便携带等特性，能广泛应用于医院和家 庭。 关键词：OSAS；CPAP 呼吸机；单片机；PID 控制模块 中图分类号：TM93 The design of portable CPAP ventilator based on PID Abstract: OSAS is the most common sleep breathes obstacle disease, which is a serious potential threat to the mankind’s health. At present, the CPAP treatment is recognized as the most effective and secure method. In this paper, we apply 1210 pressure sensor, MC9S08AC32 microcontroller and MC33035DW driver chip to design a portable CPAP ventilator, whose control system is the commonly used PID controller. The designed CPAP ventilator is expected to have some desirable characteristics, such as reliable and stable functions, user-friendly operations, inexpensiveness and portability, enable which to be widely used in hospitals and family daily care. Keywords:OSAS; CPAP ventilator; microcontroller; PID control system 0 引言 阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(Obstructive Sleep Apnea Syndrome，OSAS)，是指由于上呼 吸道狭窄或阻塞，引起的以睡眠中响亮打鼾、反复睡眠呼吸暂停、夜间低氧血症、日间嗜睡 等为特征的一系列临床综合症[1]。随着肥胖者的增多，OSAS 发病率逐渐上升，如不及时治 疗，可导致心血管系统及中枢神经系统的并发症，严重者可导致夜间心性窒息性猝死。故对 此类病人必须采取相应措施。 对 OSAS 的治疗可以采用行为治疗、持续气道正压(Continuous Positive Airway Pressure， CPAP)、手术治疗和药物治疗，其中 CPAP 治疗已经成为公认的 OSAS 治疗最为有效和安全 的方法。文献[2]中，某医院采用 CPAP 呼吸机对 20 例 OSAS 患者进行为期两年的治疗，观 察发现经治疗：患者血氧饱和度及氧分压明显增高，二氧化碳分压显著下降，较治疗前有显 著性差异；夜间打鼾症状减轻，由低氧和高碳酸血症导致的嗜睡、乏力、夜间多汗症状明显 缓解。 CPAP 呼吸机内装有灵敏的气道压测量和调节系统，随时间调整正压气流的流速，维持 气道压基本恒定在预设的 CPAP 水平上。插管病人的 CPAP 值可从 2~5cm H2O 开始，根据 需要可增加到 10~15cm H2O，最高不超过 25cm H2O；未插管的病人可用面罩或鼻塞间断使 用 CPAP，一般用 2~10cm H2O，最高不超过 15cm H2O[3]。CPAP 呼吸机只能用于呼吸中枢 作者简介：包涵，（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向：医学仪器分析 通信联系人：赵守国，（1967-），男，副教授，主要研究方向：医学信号处理. E-mail: shgzhao@bjtu.edu.cn - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 功能正常且有自主呼吸的病人，作为辅助呼吸，来锻炼呼吸功能。 采用 1210 型中压压力传感器，MC9S08AC32 主控单片机，MC33035DW 驱动风机，由 常规的 PID 控制器操纵控制模块，设计便携式 CPAP 呼吸机，使其具备性能可靠稳定、操 作人性化、开发价格低廉、方便携带等特性，能广泛应用于医院和家庭。 1 CPAP 呼吸机的基本原理 CPAP 呼吸机治疗 OSAS 的原理如图 1[4]所示，图（a）为正常咽部结构和正常呼吸；图 （b）为气道部分受阻，气流通过不畅引起打鼾；图（c）为气道完全阻塞，气流中断，发生 呼吸暂停；图（d）为 CPAP 保持气道通畅。 45 50 55 60 65 70 图 1 CPAP 治疗 OSAS 的原理 Fig.1 The principle that CPAP treat of OSAS 人体肺通气的直接动力是大气压与肺内压之间的压差，分为吸气和呼气两个过程。吸气 时，吸气肌收缩，胸廓扩大，肺容量增加，肺内压下降并低于大气压，空气流入肺内，肺内 压逐渐上升，待两种压力平衡时，吸气终止；呼气时，吸气肌舒张，呼气肌收缩，胸廓缩小， 肺容量降低，肺内压上升并高于大气压，肺内气顺此压差流出肺，肺内压逐渐降低，待两种 压力平衡时，呼气终止。在整个通气过程中，保持气道的顺畅至关重要。 CPAP 呼吸机由控制系统控制电机，使风机输出足够的气流形成正压，通过湿化器、软 管、鼻罩与鼻面接触。患者入睡后，将鼻罩戴好并打开机器，设定使病人感觉舒适的 CPAP 压力值。当患者吸气时，由于气道阻塞使得气道压（即大气压与肺内压的压差）低于 CPAP 水平，则由电机控制风机加速，输出压力增加迫使气体流入肺内，且气道压力保持在 CPAP 水平；当患者呼气时，由于风机输出气流与肺内气排出气流方向互逆，两种气流相冲使得气 道压高于 CPAP 水平，此时由电机控制风机减速，输出压力降低，仍使气道压保持在 CPAP 水平。在整个通气过程中，CPAP 呼吸机持续往气道内输入气流，气流的压力强制性的保持 咽喉部的气道通畅，以防止气道狭窄或塌陷,达到消除呼吸事件的目的。在呼气过程中，CPAP 呼吸机产生的附加压力对肺内气的呼出有一个阻力，在设定的 CPAP 压力经验值较可靠的情 况下，该呼气阻力并不会引起病人呼气的不适。 2 系统框架 硬件电路主要由电源电路、压力传感器、主控单片机、风机、风机驱动、键盘、显示屏、 - 2 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 掉电报警等部分组成，如图 2 所示。下面详细介绍各部分的具体实现。 面罩 软管 压力传感器 风机 键盘 风机驱动 主控单片机 显示 报警 75 80 图 2 系统框图 Fig.2 The workflow of the system 2.1 电源电路 电源电路的实现框图如图 3 所示。220V 交流电经过由最大承载 3.15A 的保险丝与限压 为 275V 的电容组成的保险电路，输入至共模扼流圈抑制共模噪声，以达到双向滤波的目的 （一方面滤除信号线上的共模干扰，另一方面避免自身产生的电磁干扰向外界发射）。整流 桥将滤波后的交流电压转换为直流电压，经变压器变压后进入开关管，在开关管内形成方波 信号，利用占空比来调节输出；同时设置采样电路对开关管输出的方波信号进行采样，反馈 回开关电路，从而进一步精确控制输出的电压。 电源电路设计的目的是产生 12V 电压，用以驱动直流电机工作。考虑到单片机以及其 85 它电路元件的供电电压为 5V，我们采用一个 DCDC 来实现电压的转换。 图 3 电源电路框图 Fig.3 The diagram of power circuit 90 2.2 压力传感器 采用 ICSensors 公司生产的 1210 型中压压力传感器。该芯片具有 0-50℃的温度补偿功 能，温度误差在±0.5%之内。压力量程为 0-100PSI，输出压力值范围为 0-100mV[5]。由于压 力信号经压力传感器处理得到的实际电压值为 0-16mV，所以在压力信号采集模块中设计相 应放大倍数的差动放大电路。 2.3 主控单片机 95 采用飞思卡尔 Freescale 公司的 MC9S08AC32，其高性能与片上高集成度的结合特性， 使它非常适合各种通用嵌入式工业控制应用，尤其是电机控制应用。MC9S08AC32 采用行 业领先的 0.25μs 闪存，能满足那些需要增强外围设备、提高性能、增加存储容量和改进系 - 3 -
    中国科技论文在线 统安全的需要。 http://www.paper.edu.cn MC9S08AC32 资源丰富、功能强大，片内集成了数据采集与控制系统中常用的模拟部 件和其它数字外设及功能部件。主要包含：8 位 HCS08 中央处理器（CPU）、60KB 片上带 安全选项 FLASH 存储器、2KB 片上 RAM 等，支持 32 个中断/复位源，支持单线后台调试。 其外围设备主要有：16 通道 10 位模数转换器(ADC)、两个串行通信接口（SCI）、串行外 设接口（SPI）、支持最高 100 kbps 负载的内部集成电路总线（I2C）、10 个带中心对齐脉 冲宽度调制（PWM）功能的可编程 16 位定时器、8 引脚键盘中断（KBI）等[6]。 2.4 输出控制 CPAP 呼吸机控制系统的最终对象是风机，采用 Motorola 公司的第二代直流无刷电机控 制芯片 MC33035DW 来控制风机驱动电路。 MC3305DW 由于采用双极性模拟工艺制造，使得它能在恶劣的环境条件下仍然具有很 高的稳定性。该芯片内包含有 PWM 脉冲调制放大器、频率可编程的锯齿波振荡器、误差信 号放大器、3 个集电极开路顶端驱动输出和 3 个非常适用于驱动功率场效应管(MOSFET)的 大电流图腾柱式底部输出器。此外，它还有可用于正确整流时序的转子位置译码器、带温度 补偿的内部基准电平、欠电压封锁保护、过热保护、制动输入等功能[7]。 压力传感器采集气道压力信号值，经过滤波、放大、AD 转换，依据用户设定的 CPAP 压力值，将两者的偏差输入 PI 控制器，由单片机输出相应的数字控制信号。该数字信号经 单片机 ADC 模块转换成模拟信号，通过驱动电路来控制风机的转速和转向，调整气道压力 值。 2.5 键盘、显示屏 键盘由 5 个开关按钮组成，用于输入目标 CPAP 压力值。设置了自动和手动两种工作模 式：在用户未设定目标 CPAP 值就启动机器的情况下，启用自动模式，机器将默经验 CPAP 值作为目标 CPAP 值；否则启用手动模式。 显示屏采用点阵字符液晶模块 HC082A，它包含 8 位数据总线、一个数据/指令选择 RS 脚、读写选择 R/W 脚、读写使能 E 脚[8]。液晶模块主要显示两部分的内容：左边部分显示 由用户设定的目标 CPAP 压力值；右边部分显示由压力传感器实时监测到的气道压力值。 2.6 掉电报警 通过 SDA 与 SCL，将主控单片机和报警模块单片机连接在 I2C 总线上进行实时通讯。 报警模块单片机由 5V 电源与 5V 畜电池共同供电，当电源掉电时，实时通讯中断，报警模 块将由 5V 畜电池单独供电，此时报警模块单片机向 BELL 发出报警信号，实现掉电报警。 3 控制系统 CPAP 呼吸机的核心是控制系统，它负责压力及流量的控制，就如同人类的大脑一样， 监测并指挥呼吸机的运作，其控制流程如图 4 所示。控制系统主要由压力传感器、单片机、 风机、风机驱动、键盘、显示屏、报警器组成。由键盘设定目标 CPAP 压力值，机器启动后 风机输出一定压力的气流通过软管进入患者气道，安装在软管底端的压力传感器实时采集的 压力信号，经滤波、放大等预处理后送入单片机，经 AD 转换变成数字信号。根据设定的目 标 CPAP 压力值，PID 控制器对两者间的压力误差信号进行运算，由单片机输出控制指令给 电机驱动，控制风机的转速与转向来缓慢的调节呼吸机输出的气流，再将测量到的压力信号 100 105 110 115 120 125 130 135 - 4 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 反馈输入 PID 控制器，如此反复，整个控制系统就能使气道压力最终稳定在 CPAP 水平。 图 4 控制系统的工作流程图 Fig.4 The workflow of the control system 压力信号的采集和控制算法对于控制系统的压力控制精度，起着至关重要的作用。由于 PID（比例-积分-微分）控制器简单易行，使用中不需要精确的系统模型等先决条件，因而 它能满足相当多工业对象的控制需求，且成为呼吸机领域最广泛的控制器。 3.1 压力信号采集 压力信号采集模块主要由压力传感器、低通滤波电路、差动放大电路、AD 转换电路组 成，滤波与放大电路如图 5 所示。 图 5 压力信号的滤波与放大 Fig.5 The filtering and amplification of the pressure signal （1）滤波：由于噪声将对有用信号造成干扰，所以先对压力信号进行去噪处理。压力 信号的干扰源主要是电磁干扰，如手机辐射、灯管放电、无线电等，这些干扰都是高频信号， 而压力信号是缓变信号，所以采用简单的 RC 低通滤波就可以滤除高频分量，使压力信号无 损的通过。 （2）放大：采用同相并联结构差动放大电路[9]。由两个 OP07C 组成同相并联输入第一 级放大，以提高放大器的输入阻抗；TLC2264C 为差动放大，作为放大器第二级。第一级电 路输出中不含共模电压成分，且电路具有完全对称形式，这种结构有利于克服温度漂移、零 点漂移的影响。第一级的高差动增益和 TLC2264C 的高共模抑制比，决定了该放大电路的高 共模抑制能力。而且放大器总的噪声系数主要取决于第一级，所以该放大电路具有低噪声性 - 5 - 140 145 150 155 160
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 能。此外，在运放器件的正负输入端连接电容有利于滤除高频差模干扰。 （3）AD 转换：主控单片机 MC9S08AC32 包含 16 通道 10 位模数转换器(ADC)，由它 将放大后的模拟压力信号转换成数字信号，结合目标 CPAP 值，将偏差信号输入 PI 控制器。 3.2 PID 控制算法 165 模拟 PID 控制模块原理框图[10]如图 6 所示，图中 c(t)是被控参数，r(t)是给定值，系统 由 PID 控制器和被控对象组成。 )(tr )(te ⊗ − )(tu + ⊗ )(tc 图 6 PID 控制系统原理框图 Fig.6 The schematic of PID control system PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成，对于系统偏差， 利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。其输入 e(t)与输出 u(t)的关系为： tu )( = teK )([ p + te )( = 其中 sUsG )( )( sE )( = tr )( = K 1 ∫ T i tc )( − 1 sT i + p e )()( τ +τ d T d tde ])( dt （1） ，为调节器的输入偏差信号；传递函数为： + sT d （2） 其中， pK 为调节器的比例系数， p TK / 为积分系数， dpTK 为微分系数， iT 为积分时 i 间， dT 为微分时间。 PID 控制器各校正环节的作用[3][10]如下： （1）比例环节：能对偏差瞬间做出快速反应，偏差一旦产生，控制器立即产生控制信 号，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数 pK ， pK 越大则控 制越强，且有利于减小系统静态误差。但过大的 pK 会使系统有较大的超调，并产生振荡， 破坏系统的稳定性。 （2）积分环节：把偏差的积累作为输出，在控制过程中只要有偏差的存在，积分环节 的输出就会不断增大，直至偏差为 e(t)为 0，输出的 u(t)才可能维持在某一常量，使系统在 给定值 r(t)不变的条件下趋于稳态。积分常数 iT 越小，积累作用越强，系统的稳定性下降， 动态响应变慢，但能消除静态误差，提高系统的控制精度；增大积分常数 iT ，会延长静态误 差的消除时间，但可以减小超调，减小振荡，提高系统的稳定性。 （3）微分环节：阻止偏差的变化。它反应系统偏差信号的变化率，能预见偏差变化的 趋势并产生超前的控制作用，在偏差变化之前进行修正，从而改善系统的动态性能。系统偏 差变化得越快，微分控制器的输出则越大。增大微分时间 dT ，有利于加快系统的响应速度， 减小超调量，克服振荡，使系统稳定性增强，但系统对扰动的抑制能力减弱。因为微分作用 对噪声干扰有放大作用，对系统抗干扰不利，所以在微分环节之前需对输入信号进行滤波。 - 6 - 170 175 180 185 190
    195 200 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 适当的选择微分常数 dT ，可以使微分的作用达到最优。 由于 CPAP 呼吸机模型中没有大的惯性模块和延迟模块，因而控制算法只需要使用简单 p TK / =0.2。 的 PI 控制器就可以实现对压力控制的目标。控制参数选取经验值： pK =0.9， 实验结果表明，该 PI 控制器压力控制效果良好，能以 0.05cmH2O 的误差使气道压保持在目 标 CPAP 水平。 4 结论 i 本文主要探讨了用于治疗 OSAS 疾病的便携式 CPAP 呼吸机控制部分的设计。利用普通 220V 交流电，设计了供电性能稳定的电源电路板。为使信号干扰最小化，采用了电源电路 板与信号板分开制板的思路；在硬件电路设计方面，采取了价格低廉且功能齐全的元器件， 如 1210 型中压压力传感器，MC9S08AC32 芯片，MC33035DW 驱动芯片等，使设计成本最 低化，满足了性能稳定、便携化、普及化的功能需求。 205 [参考文献] (References) [1] 刘清萍. 无创呼吸机治疗 OSAS 疗效观察及护理[J]. 实用医技杂志, 2005, 12(12A): 3529-3529. [2] 高艳华, 梁玉梅. CPAP 呼吸机治疗阻塞性睡眠呼吸暂停综合征的护理[J]. 临床肺科杂志, 2006, 11(1): 137-137. [3] 朱肇轩. 呼吸机综合测试平台及呼吸模式的研究[D]. 湖南长沙: 国防科学技术大学, 2006. [4] 李淼, 胡兆燕, 陈正龙, 等. CPAP 呼吸机压力发生器的设计[J]. 中国医疗器械信息, 2008, 14(10): 40-44. [5] ICSensors 公司, 1210 型中压压力传感器数据手册. [6] 飞思卡尔 Freescale 公司, MC9S08AC60/48/32 微控制器数据手册. [7] Motorola 公司, MC33035/D 无刷直流电机控制器数据手册, 2004. [8] 清达光电技术有限公司, 点阵字符液晶模块使用手册. [9] 余学飞. 现代医学电子仪器原理与设计[M]. 广州: 华南理工大学出版社, 2007. [10] 方玲. 基于模糊控制的呼吸机压力支持机械通气模式研究[D]. 山东青岛: 青岛理工大学, 2006. 210 215 - 7 -
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