安志伟，苏奕霖，章伟睿，张 涛，霍旭阳，陈荣庆，马 航，夏军营，徐灿华*

（1.空军军医大学军事生物医学工程学系，西安710032；2.吉林医药学院生物医学工程学院，吉林吉林132013）

0 引言

生物组织电阻抗测量在电磁场生物效应、电磁成像等领域具有重要作用，通常采用二电极法或四电极法对一较小的生物组织样本进行检测[1-5]。相关研究表明，温度变化对生物组织阻抗测量值产生较显著影响，其介电特性与温度间存在相关关系[6]。为了消除因温度不同造成的测量结果差异，需要采用温控装置使得实验环境温度长时间内相对一致[6]，从而提高阻抗测量精度和一致性，对电阻抗测量环境进行温度控制以稳定实验环境具有非常重要的意义。

虽然目前测温产品相对成熟，但是由于测量盒体积因素和多点测量需求，现有产品难以满足实验要求，因而需要自行研制传感器体积小且能多通道采集的测温控温装置。基于此，本文提出一种基于STM32微控制器的高精度多路温度监测和控制装置，该装置在测温基础上还能通过加热和制冷器件实现对阻抗测量环境的温度控制，可减少阻抗测量实验中的无关变量，减小误差，提高阻抗测量结果的一致性。

1 多路温度监测和控制装置设计

1.1 设计方案

本装置主要包括温度检测模块、放大模块、模拟选择模块、A/D 转换模块、光电隔离模块、主控模块、温度控制模块。多路温度监测和控制装置硬件结构如图1 所示。

图1 多路温度监测和控制装置结构框图

本装置采用5 路温度传感器，在测温过程中，74HC4051 模拟选择器完成分时复用，实现同时监测5 个数据。温度信号经放大后送入12 位A/D 转换器进行A/D 转换。然后采用基于ARM Cortex-M3 内核的STM32F103C6T6 作为主控芯片，根据A/D 转换结果拟合不同温度与A/D 采样值的关系；通过USB 口将测温数据实时上传至上位机，上位机对数据进行实时处理、存储及显示，分析数据并产生温度控制信号，利用继电器驱动加热器或制冷器，实现温度控制功能。

1.2 硬件设计

1.2.1 温度检测模块

以日本芝蒲的NTC 温度传感器PT7-25E2 为探头，精度：±0.1 ℃（20～43 ℃）。探头的阻抗-温度特性如图2 所示。PT7-25E2 探头采用玻璃封装，直径为0.53 mm，具有高速响应、高稳定性和体积小的特点，可满足阻抗测量中高精度多通道温度监测的需求。探头将传感器通过精密导线连接到插头，通过装置插口实现温度传感。

图2 探头阻抗-温度特性曲线

1.2.2 放大、模拟选择与A/D 转换模块

本装置采用LT1790ACS6 芯片提供基准电压，可保证温度采集的稳定性。放大模块利用OPA2335 放大器实现，每个通道均配有独立的放大模块，放大后的信号连接至模拟多路选择器。模拟多路选择器在本装置中起到同时检测多路温度的作用，采用74HC4051 模拟选择器实现。74HC4051 是一款高速CMOS（complementary metal oxide semiconductor）器件，是8 通道模拟多路选择器，带有3 个数字选择端（A0 至A2）、1 个低电平有效使能端（E）、8 个独立输入/输出端（S0～S7）和1 个公共输入/输出端（Z）。E 为低电平时，8 个通道中的一个将被A0～A2 选中（低阻态）；E 为高电平时，所有开关都进入高阻态，无通道导通。采用12 位精度的A/D 转换器进行A/D 转换，能够满足测温装置的实时性、稳定性和精确性等要求[7]。

1.2.3 光电隔离模块

由数字电路产生并串入模拟电路及A/D 电路的噪声普遍存在且较难克服，为了提高信噪比，需要抑制系统中噪声对模拟及A/D 电路的干扰。因此，在数字电路和模拟电路之间加入一光电隔离模块，该模块采用6N137 光耦合器实现功能。6N137 是一款用于单通道的高速光耦合器，其由一个850 nm 波长的砷化铝镓LED 和一个集成检测器组成，其中检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。该模块具有较高输入输出隔离度、高转换速率（典型为10 Mbit/s）、5 mA 的极小输入电流和温度，并具有电流和电压补偿功能。

1.2.4 主控与温度控制模块

采用STM32F103C6T6 芯片作为主控处理器实现温度采集、传输和控制。这款主控芯片是基于Cortex-M3 内核的高性能、低成本、低功耗微处理器，工作频率可达到72 MHz。信号经光电隔离以后传入主控模块，主控芯片将数据通过USB 口传输到上位机进行处理，并将温度控制信号传回主控芯片。在电阻抗测量实验中，需要控制环境温度，因此除了需要采集准确的温度外，还需要实现环境温度控制。在设定实验温度后，将其与所测温度对比，实时升温或制冷，保证整个电阻抗测量过程在设定温度下进行。温度控制主要由主控处理器通过继电器对升温和制冷器件进行控制实现，升温和制冷器件可根据测量环境进行更换和选择。

1.3 软件系统

1.3.1 软件设计

系统主程序流程如图3 所示。系统上电后首先对系统进行初始化，包括脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）初始化、I/O 端口初始化、看门狗定时器初始化等。然后读取设定参数，系统进入主程序，主程序首先设定温度，系统会按照新参数进行控制。开始工作后模拟选择器模块工作，实现同时对多路信号的获取。温度检测模块实现温度数据的获取，温度控制的具体实施是通过主控芯片控制继电器驱动半导体制冷片完成的。在工作中，上位机实时显示当前温度值。

图3 多路温度监测和控制装置软件系统流程图

1.3.2 温度测量方法

PT7-25E2 探头的阻值和温度具有近似线性关系，不同的温度对应探头两端不同的电压值，电压信号通过A/D 转换得到对应的A/D值，所以可以根据电路中实测的A/D值以查表的方式计算相应的温度值。PT7-25E2 探头的阻值与温度线性关系在较大的温度范围内不一致，而在某小段范围内线性关系较好。因此，在系统中采用分段建立数学模型和查表相结合的方法可得出较精确的温度值[8]。由于电阻抗测量多针对生物组织，温度波动范围较小，实验将测温范围限定在15～45 ℃。在此段温度区间内，A/D 采集到的电压、温度信号值的大小与PT7-25E2 探头阻值大小的关系根据实际测量数据进行数学建模[9]。数学模型见表1。

2 性能测试

2.1 温度测量

首先在冰水混合物和沸水中验证并挑选出准确度合格的一等标准水银温度计（精度0.05 ℃），然后使用该水银温度计测量5 个标准温度，并分别用5个PT7-25E2 探头对每个标准温度进行5 次测量，得到平均误差值，并记录结果。实验结果见表2。根据测量结果，计算得到探头1 平均误差为-0.006 ℃、探头2 平均误差为-0.024 ℃、探头3 平均误差为0.006 ℃、探头4 平均误差为-0.036 ℃、探头5 平均误差为-0.014 ℃。

表2 温度测量实验结果℃

测量结果表明，单次测量的温度误差值保持在±0.1 ℃的范围内，如果取5 次测量值的平均值，平均绝对误差≤0.05 ℃。从温度变化对生物组织阻抗特性的影响程度看，当前精度满足要求[10]。

2.2 温度控制

为验证温度控制效果，采用TEC1-03115T125半导体制冷片作为升温和降温测试器件，并使用一个50 mm×50 mm×10 mm 的塑料盒作为实验容器，将其注满水，进行升降温控制性能测试。TEC1-03115 T125 半导体制冷片具有体积小、无滑动部件、可靠性高和无制冷剂污染等特点，能满足生物组织阻抗测量实验的各项要求。半导体制冷片根据流过半导体的电流方向决定制冷或制热，因为其正在工作时不能瞬间通以反向电压，所以实验中采用2 个通电方向相反的半导体制冷片实现温度控制。

开启装置，设定温度值为20、30、40 ℃，使用一等标准水银温度计进行测量对比，记录温控数据。装置监测温度与时间关系分别如图4 所示。

通过温度与时间关系曲线图可知，对于3 个设定温度值，在实验条件下，最终温度误差都稳定在±0.1 ℃的范围内。

2.3 与同类装置对比

课题组以往研究采用商品化的温度测量装置构建了电阻抗测量平台[6]，如图5 所示。本文装置与其主要性能指标对比见表3。本文设计的装置在温度测量和控制方面与其性能相当，但是本文装置具备多通道采集和控制功能，可以通过USB 口实时记录当前数据，所选探头体积小，有利于小样本环境下的测量，具有明显优势。

图4 温度-时间关系图

图5 电阻抗测量平台

3 结语

本文设计并实现了一种基于STM32 微控制器的高速率、高精度多路温度监测和控制装置。经过测试实验，证实本装置可以较好地保证实验中温度的一致性，从而避免无关变量的影响，提高测量的准确性和可信性。相比于以往装置[6]，本文设计的装置具有多路测量、响应速度快、体积小、可记录数据、灵活控制等优点，能更好地适用于电阻抗测量实验。且当前装置操作简单快捷，对人工和工作环境要求少，可在电阻抗测量中发挥重要的积极作用，具有重要意义。未来研究中可以考虑增加装置显示和控制功能，减小装置体积，进一步提升装置能力。

表3 2 种电阻抗测量装置性能指标