陈 曦，徐俊峰，宋浩然

( 河北工业大学 控制科学与工程学院，天津，300130)

嵌入式新型血栓弹力仪系统的研究与设计

陈 曦，徐俊峰*，宋浩然

( 河北工业大学 控制科学与工程学院，天津，300130)

针对目前常用的扭力丝结构的血栓弹力仪对装配、环境适应性、成本要求较高等问题，设计了一种新型血栓弹力仪系统.以模块化的方式给出了系统的测量模块、加热模块、存储与通信模块等.在常规结构的基础上利用SolidWorks软件设计出一种盘式结构的测量模块；利用正交编码器精确定位的特点通过嵌入式控制器STM32的时间差处理法反映血液粘弹性的变化；针对温度控制具有的大滞后、非线性、大惯性特点，利用模糊PID复合控制算法实现快速、精确的温度控制.实验结果表明：系统温差在0.5℃以内，能区分高低凝，容易装配，环境适应性好，成本较低，有重要的发展应用前景.

血栓弹力仪；SolidWorks软件；盘式结构；嵌入式控制器

血栓弹力仪(TEG)是近年来国内陆续引进的一种新型凝血检测诊断仪器.传统的凝血功能检测很难区分高凝、低凝等各种细分类型，治疗和预测都要进行后续各种检测，TEG反映的是凝血和纤溶过程的综合情况，对于指导术中输血、高凝状态的监测及纠正、创伤病人的救治以及凝血机制的研究具有非常重要的意义[1].

国际上的TEG产品主要以美国Haemoscope公司生产的TEG5000为代表，国内大部分依赖进口，自主研发的企业较少，且主要以文献[2]中扭力丝结构为主，这种结构的血弹仪对装配要求、环境适应性和成本要求限制了在国内的进一步推广.故本文设计了一套新型的血栓弹力仪系统，主要从机械结构、接口电路、软件开发三个方面对系统进行详细介绍.

1 血栓弹力仪系统总体设计

系统主要由传感检测模块、恒温模块、存储与通讯模块和上位机模块组成.传感检测模块将微小的生物信号转换成电信号，包括测量结构与驱动器，编码器及其接口电路，控制器内部的信号处理；恒温模块为保证测试血液的温度为37℃，误差不超过0.5℃，包括加热器、固态继电器及其驱动电路和温度传感器及其测量电路；存储与通信模块将采集到的数据通过SPI总线保存到SD卡，包括SD卡接口电路；上位机模块通过RS232接收控制器上传的数据，经过数据处理进行描点并显示.系统总体框图如图1所示.

图1 系统总体框图Fig.1 Main block diagram of the system

1.1 传感检测模块

SolidWorks是一款非常友好的三维机械设计软件，与传统CAD软件相比具有更加直观、操作简便、可以联动生成用于生产的二维图纸的特点，故本文选择该软件进行机械结构设计.传感检测模块的测量结构最终设计图纸如图2所示.

图2 测量结构的三维图Fig. 2 Three dimensional diagram of measurement structure

图2中各部件参数、作用以及制作方式如下：

1 码盘，作为光电编码器的核心结构，主要用来测量传感头和转盘的旋转角度，购置；

2, 3 中间连接轴、中间支架，起着连接上下部件和传递力矩的作用，分为上下两段，直径分别为8mm与5mm，自制；

4 转盘，传导定子线圈产生的磁场，充当转子,用来带动传感头在血液中转动，材料为50W350的硅钢片，六凸极结构，内外直径分别为28mm与40mm，加工定制；

5 传感头，为了增加血液对传感头的阻力矩，使血液粘度的变化能更大的影响转盘转速变化，将圆柱形的悬针改进为类似于搅拌器叶片的形状，增加了传感头与血液的接触面积，增大了传感头所受的阻力矩，达到放大检测信号的作用，加工定制；

6 血液测试杯，材料铝合金，不导磁，导热性好，直径10mm，高度10mm，加工定制；

7, 8 定子极、定子底盘，定子极为8个，均匀分布在圆周上，直径5.2mm，高度18.2mm,定子底盘,直径50mm，加工定制.

每个定子极上绕有绕组(图中未画出)，两个相对的极绕组串联为一相，总共8极4相，转子为6极，定转子为双凸极结构.通过驱动器轮流给四相通电就会产生旋转的轴向磁场，利用磁阻最小原理，当定转子极不在对齐位置时就会产生水平方向的切向磁拉力，从而带动转盘转动，进而带动探头转动.而血液凝结与纤溶过程会对探头阻力发生改变影响到转盘转速的变化[3,4].

电磁驱动器通过控制流过绕组的电流大小以及通电相序来控制转盘力矩以及旋转方向.在这里由于驱动原理与步进电机类似，使用42步进电机驱动器，电流调到0.8A，16细分模式.由于要测量凝血与纤溶全貌，并且尽量模拟血液在人体中的流速，所以转速较小同时根据实际情况做调整，将转速定为5r/min,使用TIM2的通道2配置为PWM输出功能[5,6].

控制器通过发PWM脉冲控制转盘正反旋转，旋转角度为45°，通过编码器将角度信号实时反馈给控制器，实现角度的闭环控制.光电编码器作为信号转换部件，与转盘同轴相连，本设计应用1000线增量式光电编码器，型号HKT3008-C03G-1000B-5L，5V长线驱动型，输出差分信号，而控制器一般接收单端3.3V信号，故需要进行差分转换与电平转换，使用差分转换芯片 AM26LS32和电平转换芯片74LVC4245将最终信号输入到控制器的PA6和PA7引脚，信号转换接口电路如图3所示.对于1000线码盘，其脉冲周期T对应的码盘角位移固定为0.36°，量化误差为0.18°，通过输出波形可知对于两相信号在一个周期内会产生4次电平跳变，对其进行计数则可以实现4倍频，从而将光电码盘测量精度由0.18°提高到0.045°[7].

图3 光电编码器信号转换接口电路Fig.3 Photoelectric encoder signal conversion circuit

信号处理部分使用STM32的编码器接口模式，通过引脚PA6和PA7将测量信号输入至TIM3的CH1和CH2,设置计数器在TI1和TI2边沿同时计数，实现4倍频.TIM3计数开始时开启TIM4定时器，转盘到达45°即TIM3产生更新事件时捕获TIM4计数器的值为N2，与上一次更新事件捕获的值N1相减得到转过相同角度所用时间N2-N1，为了反映出血液随时间而发生变化这一关系，使初始值从零开始，将所有数据减去测试之初的时间差N0，也即N2-N1- N0，结果为正则表示码盘正转，结果为负表示码盘反转.测量时序图如图4所示.

图4 测量时序图Fig. 4 Measurement sequence diagram

1.2 恒温模块

恒温模块的关键在于温度检测部分，温度传感器使用AD590,它在-55℃～150℃温域中有较好的线性度.选择M档，标定精度ΔT<±0.3℃.通过外加电阻及差动放大电路使0～100℃温度变化转化为0～5V标准电压，再通过ADC输入到控制器中进行比较和运算.温度检测电路如图5所示.

图5 温度检测电路Fig. 5 Temperature detecting circuit

AD590输出电流以绝对零度(-273℃)为基准，每增加1℃，增加1μA的输出电流I，则其输出电压通过一个电压跟随器引出后加到运放的同向输入端，其电压为:

V2=(273+T)μA×10K.

(1)

运放的反向输入端电压来自于12V电源通过可调电位器分压得到，电压为V1=2.73V,因此差动放大电路的输出如下式，由此测量输出端电压即可反映出对应温度.

(2)

由于水温的控制具有非线性、大时滞、大惯性等不确定性，PID控制在偏差较大时容易出现积分饱和，导致系统出现很大的超调，故选用常规PID与模糊PID复合控制器，由于温度控制已经比较成熟，所以我们参考了文献[8]中的控制算法结构，在系统启动的纯滞后阶段使用纯比列控制加快响应速度，在温度动态上升阶段使用模糊PID控制来减小温度的超调，稳态阶段使用常规PID控制来消除稳态误差[9].本设计中复合PID控制器的输出量对应PWM的占空比，通过对占空比的控制实现对加热器的加热功率的控制，最终实现对温度的闭环控制.软件实现上通过配置TIM5的通道3为PWM输出模式，通过改变捕获/比较寄存器TIM5_CCR3的值来修改占空比来控制加热功率，这一过程可以通过调用库函数TIM_SetCompare2(TIM5,hot)修改参数hot的值来实现.复合PID控制和普通PID控制的响应曲线如图6所示(左普通PID控制,右复合PID控制).由图可知复合控制器几乎没有超调而普通PID则超调到38℃以上；系统达到设定温度所需时间短，复合控制器的在260 s，而普通PID的在460 s.经测量在500 s时加入1℃扰动后系统误差为0.33℃，不超过0.5℃，满足设计要求.

图6 两种方法的响应曲线Fig. 6 The response curves of the two methods

1.3 存储与通讯模块

SD卡又叫做安全数码卡，是基于flash闪存的一种快速大容量便携式的存储卡，通过SPI模式与控制器STM32进行通信，其接口电路如图7所示.

图7 STM32与SD卡接口电路Fig. 7 STM32 and SD card connection circuit

硬件连接上使用STM32的SPI2接口与SD卡通信，SPI2_SCK引脚与CLK相连提供SPI通信的时钟，PD2与CD/DATA3相连在通过47 kΩ电阻上拉实现SD卡的片选信号功能， SPI2_MOSI与SPI2_MISO通过上拉与SD卡的CMD与DATA0连接，实现信息的交换.

软件上初始化SD卡后就可以进行数据的读写过程.初始化过程首先配置MCU的SPI功能，接着通过发送命令与接收应答的方式使 SD卡进入SPI模式，最后取消片选，多发8个CLK时钟结束初始化.在数据传递过程中通过函数SPI_I2S_SendData(SPI2, TxData)来发送数据，TxData 表示待发送的数据，通过函数SPI_I2S_ReceiveData(SPI2)来接收数据，其返回值即接收到的数据.

控制器STM32通过RS232实现与上位机的通讯.具体过程如下，先使能USART1、GPIOA与复用功能时钟，复位串口，设置PA9为复用推挽输出，PA10浮空输入，再配置串口的通讯参数，使能串口，结束初始化，最后通过调用函数实现数据的读写.上位机通过C#软件的窗体化设计，将所接收数据在窗体中通过描点连线的方式显示出来.

2 控制系统软件设计

控制系统采用KEIL_MDK软件为交叉编译工具，系统整体程序流程图如图8所示.

图8 系统整体流程图Fig.8 Overall system flow chart

系统上电之后先进行相应时钟配置，通过调用SystemInit()函数，并且配置系统工作频率72MHz,之后配置所用到的GPIO口的模式、频率、时钟等，本设计所用定时器较多，分别是TIM2与TIM5通道2、3配置为PWM输出模式，TIM3的通道1和通道2配置为正交编码模式，TIM4配置输入捕获模式，接下来初始化外部加热中断、定时器中断与串口中断，下一步进行具体外设的初始化，例如串口、SD卡等，当所有初始化结束之后进入主程序.先通过上位机进行装杯加样的引导，在37℃的条件下开始测量，通过定时器2发送PWM波驱动转盘转动，通过光电编码器测量旋转角度并反馈给控制器，控制器通过如图5所示的测量手段将数据存储并通过串口发送给上位机，一直循环这一测试过程直到完成测量或者按下停止，程序将停止发送PWM脉冲并完成卸杯引导从而结束整个测量过程[10].

3 实验结果

对高凝、低凝两组样本做实验通过上位机软件得出图形如图9所示，其中左右分别为血液高凝、低凝状态下的时间与幅值关系的弹力图，由于高低凝幅值以200为界限，图中可以看出本系统可以完成区分高凝低凝的基本任务.

为了对比本系统与常规TEG的环境适应性能力，对同一样本分成相等的两份，一份用常规TEG，一份用本系统的新型TEG.为了模拟震动的干扰，旁边放上以不同频率转动的电机，将其震动由低到高分为9个等级，将此测量结果与无干扰情况下结果做误差百分比计算，得到如表1所示的结果(表中单位%).由表可知在相同震动干扰下，本系统的测量误差比基本上为常规TEG误差的一半，反映出较强的环境适应能力.

图9 高低凝弹力图Fig. 9 High and low coagulation thrombelastogram

表2所示为两种类型TEG的相关项目的对比.本设计的旋转轴与常规类型的扭力丝直径相差25倍，反映出本设计的加工精度与装配难度大大降低；器件选择方面对于PLC控制器的价格是STM32价格的10倍甚至更多，PSD和激光相关设备比光电编码器成本也高很多，故本设计体现出较高的性价比，有助于成本的降低.

表2 两种类型TEG相关项目对比

4 结语

本文着重从硬件结构与软件设计上对新型血栓弹力仪检测部分、加热部分与存储部分做了较详细的说明，最后通过上位机软件显示最终时间-幅值图形.综合运用了模拟及数字电子技术以及现代控制方法，成功的将一种生物体指标转化为了实际可测的物理指标通过嵌入式控制器STM32进行测量.由实验结果可知本设计在完成基本测试任务的同时具有易于装配、抗干扰强、成本低等优势，具有广阔的应用发展前景.

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The Research and Design of Embedded New Type of Thrombelastograph Coagulation Analyzer System

ChenXi,XuJunfeng,SongHaoran

( College of Control Science and Engineering , Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

In view of typical structure of torsion wire demanding a high level of assembly and cost,designing a new type of thrombelatograph coagulation analyzer system. Measurement module,heating module,storage and communicating module were designed by modularization. On the basis of conventional structure,combining the designing ideal of axial magnetic field SRM and using SolidWorks software designed the disc structure measurement module. Accurate positioning of the orthogonal encoder is used to reflect the change of blood viscoelasticity by the method of the time difference of the STM32. Aiming at the characteristics of large time delay, nonlinear and large inertia of temperature control, the fuzzy PID compound control algorithm is used to realize the fast and accurate temperature controlling.The experimental results show that temperature error of system is less than 0.5℃, could distinguish between high and low coagulation, easily assembling, excellent environmental adaptability, low cost and has important application prospects.

thrombelatograph coagulation analyzer; SolidWorks software; disc structure; embedded controller

2016-09-10

陈 曦(1963-)，男，教授，博士，研究方向：智能检测与智能仪表以及生物医疗设备的设计与开发，E-mail: 321221828@qq.com

天津市科技计划项目(14ZCDZSY00032)

TH776

A

1672-4321(2017)02-0104-05

*通讯作者 徐俊峰，研究方向：嵌入式应用与生物医疗设备的开发，E-mail:1140225089@qq.com