文章编号：１００１．９９４４（２０１０１１ １—０００１—０５ 智能腹膜透析机的嵌入式系统设计 吴忻生 ，何银强 ，张研究中心．广州５ｌ ０６４０） 梅１，２ （１．华南理工大学自动化科学与工程学院．广州５ｌ０６４０：２．华南理Ｚ－大学精密电子制造装备教育部２１－－程 摘要：对面向家庭的智能腹膜透析机系统的原理和结构进行了分析，设计了相应的嵌入式 控制系统软硬件． 采用ｕＣ／ＯＳ—ＩＩ作为嵌入式实时操作系统．创建各种任务完成相应控制； 运用有限状态机软件设计方法．实现状态跳转和功能切换：同时系统具有良好的人机界面 和多重安全保护．．该智能腹膜透析机功能完善．各项性能达标．实际运行也验证了该系统的 有效性和稳定性 关键词：智能腹膜透析机；嵌入式系统；ｕＣ／０Ｓ—ＩＩ；有限状态机；模糊ＰＩ Ｄ；数字滤波 中图分类号：ＴＰ３１１ 文献标志码：Ｂ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｅｒｉｔｏｎｅａｌ Ｄｉａｌｙｓｉｓ Ｍａｃｈｉｎｅ ＷＵ Ｘｉｎ—ｓｈｅｎｇ 一．ＨＥ Ｙｉｎ－ｑｉａｎｇ ．ＺＨＡＮＧ Ｍｅｉ ・ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ；２． Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉ— ｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｅｒｉｔｏｎｅａｌ ｄｉａｌｙｓｉｓ ｍａｃｈｉｎｅ ｆｏｒ ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ｕｓｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｎａ— ｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ Ｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．ｄｅｓｉｇｎｓ ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｗｉｔｈ ｕＣ／ＯＳ—ＩＩ ａｓ ｔｈｅ ｅｍ— ｂｅｄｄｅｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｃｒｅａｔｅｓ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｔａｓｋｓ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ ｔｈｅ ｊｕｍｐ ｏｆ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈ ｏｆ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｕｓｅｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ．Ｔｈｉｓ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｅｒｉｔｏｎｅａｌ ｄｉａｌｙｓｉｓ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ｆｕｌｌｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｒｅａｃｈｅｓ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｓｔａｎｄａｒｄ．Ｐｒａｃｔｉｃｅ ａｌｓｏ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｅｒｉｔｏｎｅａｌ ｄｉａｌｙｓｉｓ ｍａｃｈｉｎｅ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｕＣ／ＯＳ—ＩＩ；ｆｉｎｉｔｅ ｓｔａｔｅ ｍａｃｈｉｎｅ（ＦＳＭ）； ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ；ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ 肾衰竭是影响人们生命健康的常见病 ．而腹 膜透析是现有治疗途径中最便捷有效的方式之一 腹膜透析的原理是利用腹膜作半渗透膜．通过血液 与透析液之间的物质交换．将营养物质输入体内而 将毒素排出体外 。 本文针对腹膜透析是一项长期 同时为了提高透析效果、提升患者生活质量，在文献 ５］基础上设计了面向家庭使用的智能腹膜透析机 系统。与之相比，整机更轻便智能、功能齐全、安全性 强、在性能和稳定性方面都有一定的提升，方便了推 广和普及 同时针对腹膜透析机的关键性问题．如称重、温 治疗过程且目前透析费用高、治疗不方便等问题． 收稿日期：２０１０—０６—１８；修订日期：２０１０—０７—１４ 基金项目：广州市科技攻关重点项目资助（２００８Ｚ１一Ｄ０８１）；高校基本科研业务费专项资金资助项日（２００９ＺＭ０２７３）；高等 学校博士点基金项目（２００８０５６１ １０７０） 作者简介：吴忻生（１９６１一），男，副教授，研究方向为智能检测与智能控制等；何银强（１９８７一），男，硕士研究生，研究方向为智 能检测与智能控制等；张梅（１９７７一），女，副教授，研究方向为智能控制系统、生物医学工程。 自动化与仪表２０１０（１１、 ■ 度控制、多流程、信息化、安全性等。设 计了基于ＡＲＭ７处理器和“ｕＣ／ＯＳ—ＩＩ＋ 有限状态机”架构的嵌入式系统．采用 有效的信号处理和控制算法．使整机可 靠性和稳定性得到提高。 １ 总体结构和原理 １．１ 工作原理 本文设计的智能腹膜透析机先对 透析液进行加热．当达到设定温度．在 阀门控制下．通过重力将透析液袋中一 定容量的药液注入患者的腹腔内．当留 腹达到设定的时间后．通过阀门控制将 患者腹腔废液自动排到废液袋 在此透 析的整个过程中．嵌入式控制系统根据 手动设定或存储卡中的医嘱处方．对透 Ｌ一一一一一一一一堡芝至 图２腹膜透析机系统结构图 Ｆｉｇ．２ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｅｒｉｔｏｎｅａｌ ｄｉａｌｙｓｉｓ ｍａｃｈｉｎｅ 析液温度进行监控、对流速进行实时监测、精确计算 并控制进入腹腔的透析液量和排出腹腔的废液量、 详细记录透析过程的各种数据．同时为用户提供了 良好的人机界面。设计的多重保护和报警也保证了 透析过程的安全性。腹膜透析流程如图ｌ所示。 路，当主控制器失效且超温时，停止加热，关闭所有 阀门停止注／排液。并发出声光报警。 ２硬件设计 ２．１称重模块设计 称重和测温在腹膜透析机系统中至关重要．稳 定、准确的测量对腹膜透析起着关键性作用。本设 计的腹膜透析机有３个称重传感器 由于处理器自 带Ａ／Ｄ只有１０位精度．不能满足实际需求，同时为 了增强抗干扰性．提高采集的稳定性，将称重传感器 的电压信号经调理电路和Ｖ／Ｆ芯片转换为相应的频 率，通过光电隔离送人处理器。根据运用最小二乘 图１ 腹膜透析流程图 Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｐｅｒｉｔｏｎｅａｌ ｄｉａｌｙｓｉｓ 法拟合好的“物理量一频率”关系．反算出被测物理 量 为了便于拟合物理量和频率之间的关系．设计 了上位机数据处理软件：同时为了现场和产品生产 调试的需要．也设计了运行在处理器上的单机版处 理程序．可以根据现场输入多组测试数据．直接算出 最小二乘法的回归方程的参数 称重原理框图和电 路图分别如图３、图４所示。 １．２ 系统结构 腹膜透析机的整个系统主要包括ＡＲＭ最小系 统和相应的模块，如Ｉ／Ｏ接口模块、称重测温模块、 信号调理检测模块（称重、测温）、功率驱动模块、串 口通信模块、阀门控制模块等 通过相应程序来完 成整个透析过程的各种任务．如重量温度信号采 集、流速监测、温度控制、透析数据存储、人机交互、 远程通信、报警保护等 腹膜透析机系统结构如图２ ｔ ：电源稳压滤波、抗干扰 ｌ 所示。其中透析数据存储和远程通信是为了便于医 生查询诊治、对透析机运行过程的稳定性监测以及 透析数据的科学性研究 由于医用产品对安全性的 图３称重模块原理框图 Ｆｉｇ３ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ 特殊要求，设计了于主控制器的冗余保护电 日 Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ２０１０（１１１ 图４基于Ｖ／Ｆ变换的称重模块电路图 Ｆｉｇ．４ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｗｅｉｇｈｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖ／Ｆ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ２－２温度控制模块设计 ３）保护电路 由于腹膜透析对透析液温度要求 温度传感器选用ＬＭ３５，采用双冗余设计 根据 上述称重同样的方法测量出温度值．通过控制算 法．控制器输出ＰＷＭ信号控制同态继电器．从而控 制加热膜对腹膜透析液进行加热．实现温度控制 由于在处理器初始化或失效时会产生不确定高低 较高．为防止主系统意外失效将超温透析液注入腹 内．设计了于主系统的超温保护电路．增加一路 测温传感器 当发生超温时，发 声光报警，并驱动 电机关闭阀门．保护患者安全 同时为保证该电路 正常丁作．在主系统启动时，对保护电路检测。 电平．引起误加热．还在ＰＷＭ控制信号输出端加入 逻辑电路．防止误操作 温度控制模块原理框图如 图５所示。 ３软件设计 ３．１ 称重测温的数字滤波设计 针对称重、测温过程中受到的各种干扰．如外部 机械抖动、内部阻尼振荡、工频干扰等，为了得到准 确稳定的测量结果．采用滑动平均滤波和一阶惯性 滤波相结合的复合滤波算法．在快速性和准确性方 图５温度控制系统原理框图 Ｆｉｇ．５ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ 面效果显著 频率测量程序方面．采用限定个数脉 冲之间时间的方法．即每隔ｎ个脉冲捕捉产生一次 中断．再由两次计数值计算出频率。 一２．３其它模块设计 １）阀门系统 阀门通过步进电机运动来控制． 阶惯性滤波以数字形式实现低通滤波．采用 后者由驱动器驱动．给以正确的时序脉冲．就能完 成相应的动作 为了防止步进电机长期运动失步． 设计了基于光电传感器的零位检测电路 通过继电 器控制驱动器的电源．有效降低功耗．延长设备使 用寿命 同时采用Ｓ曲线的加减速控制算法．保证 阀门开关的快速性和准确性 ２）通信模块 本文的腹膜透析机除了针对家用 设计了远程通信．还针对医院批量使用设计了本地 本次采样值与上次滤波输出值进行加权．得到有效 滤波值．再作为下次的输入，从而具有反馈作用。选 择ｌ，（凡）＝ａＸ（ｎ）＋（１一ａ）Ｙ（ｎ一１）作为算法公式，根据 试验选取ａ＝０．２．此时测量数据在灵敏度和平稳性之 间取得很好的平衡 对一阶惯性滤波后的数据再进行滑动平均滤 波 滑动平均滤波器是通过长度为Ⅳ的滑动窗．每 个采样周期向前滑动一次．扔掉原队首的数据．再进 行算术平均得到新的滤波结果 表达式可写成砸： 组网通信方案 远程通信设计了Ｍｏｄｅｍ电路和串Ｅｌ 电路．前者用于电话线远程通信．后者用于ＧＰＲＳ的 无线通信 本地组网通信基于ＲＳ一４８５总线的多机 通信．连接到医院本地站点．再通过以太网连接到 监控中心 １ １ １ｎｙ（ｎ）＝专 ｘ（ｎ—ｉ）， 』Ｖ ｉ＝０ 其中．滑动窗口长度根据ＲＡＭ和采样频率合理选 择．根据试验选择Ⅳ＝１２ 自动亿ｓ仪表２ｏｌｏ（１ｔ） ■ 通过腹膜透析机实验平台．模拟较复杂的振动 干扰情景．将１．５ｋｇ砝码从高２０ｃｍ处落到透析液加 热称重盘．对这一过程的重量信号进行采集．输出 结果如图６（ａ）所示；图６（ｂ）是经过一阶惯性滤波的 输出结果．可见．一阶惯性滤波对响应速度影响不 大，在窄幅振荡期间，滤波结果比较稳定。但在宽幅 振荡期间，效果不够理想，收缩平滑效果不明显：图 ６（Ｃ）是最后再经过滑动滤波的输出结果．可见振幅 被有效收缩．有效地消除阻尼振荡和抖动．总体满 足腹膜透析机对称重的要求 ４ｏｏ０ ３ｏ００ 皿删 ２０００ ｉ ４，～ ｌ０ｏ０ ０ ０ １ ２ ３ ４ ５ ，ｓ ｆａ）１．５ｋｇ砝码从高２０ｃｍ处自由落 体到称重支架上的采样输出 洳 血ｌ ｉ １１噩】］ ｔ／ｓ ｆｂ）一阶惯性滤波输出结果 ｛ ０ ０．５ ｌ １．５ ２ ２．５ ３ ￡／ｓ ｆｅ 滑动滤波输出结果 图６数字滤波实验输出结果 Ｆｉｇ．６ Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｏｕｔｐｕｔｓ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ■ ３．２模糊自整定ＰＩＤ温度控制设计 本文针对腹膜透析液容量变化且温度控制存在 大滞后的特点．采用模糊控制的思想实现ＰＩＤ参数 在线整定．能提高系统动态性能，同时增强适应性和 鲁棒性。 模糊自整定ＰＩＤ在常规ＰＩＤ基础上，以系统偏 差ｅ和误差变化ｅｃ作为输入．用模糊推理的方法 对ＰＩＤ参数 ，Ｋ ， 在线进行修改，满足不同时 刻。．ｅｃ对ＰＩＤ控制器参数的要求，其系统框图如 图７所示 图７模糊自整定ＰＩＤ温度控制结构图 Ｆｉｇ．７ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｓｅｄ ｂｙ ｆｕｚｚｙ ｓｅｌｆ——ｔｕｎｉｎｇ ＰＩ Ｄ 模糊自整定ＰＩＤ控制器设计及算法实现如下： １）输入变量模糊化：根据系统性能指标和算法 复杂度．确定控制器两输人变量，论域并选取其隶属 度函数。 ２）根据经验和现场长期调试，总结出自整定规 则．再利用Ｍａｍｄａｎｉ极小、极大值进行推理生成合 理的规则表 ３）最后采用重心法对推理得到的隶属度进行反 模糊化得到精确的输出值。 采用模糊自整定ＰＩＤ的温度控制策略，实际运 行表明．能有效地抵抗干扰，提高加热快速性，减小 超调．符合系统的要求。 ３．３ 系统软件架构——ｕＣ，ＯＳ—ｌｌ和有限状态机 智能腹膜透析机提供多种透析模式，不同模式 又分各种流程．涉及较为复杂的状态切换、界面跳 转、任务调度等等，同时医疗设备对实时性、准确性 以及错误的处理要求高．所以选择ｕＣ／ＯＳ—ＩＩ实时操 作系统＋有限状态机的架构．如图８所示。 ｕＣ／ＯＳ—ＩＩ（ｍｉｃｒｏ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）是 专为嵌入式应用设计、公开源代码的抢占式实时操 作系统．通过美国航空管理局的认证｜７］。具有内核 小、可裁减、便于移植、管理多达５６个任务、提供多 种系统服务等特点 ｕＣ／ＯＳ—ＩＩ嵌入式操作系统不仅 能解决ＡＲＭ处理器的时间调度问题．提高实时性， 还能将整个控制任务拆分成多个子任务．简化了程 ＡｕＷｍａ￣ｏｎ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ２０１ｏ（１１） 序设计。 有限状态机（ＦＳＭ）是用来对系统状态行为进行 建模的有力１＝具．尤其是嵌入式系统软件领域。状 态机突出的特点是针对不同输入和系统当前状态 而产生不同的输出和状态移．同时有助于软件需求 的明确和程序可读性的提高．是解决复杂状态跳转 的有力工具 ４ 结语 经过各种测试和长时间运行．本腹膜透析机嵌 入式系统具有良好的稳定性和有效性 丰富的通讯 接口也方便网络监控和透析科学性研究 同时本文 提出的软硬件设计对其它设备的嵌人式系统也有一 定的借鉴意义 目前该机已经过权威医疗器械检验 部门的检测．各项性能达标．正为投放市场做准备。 参考文献： ［１］．Ｄｅｆｉｊｔｅｒ ＣＷＨ，ＯｅＬＰ，Ｎａｕｔａ ＪＩＰ，ｅｔ ａ１．Ｃｌｉｎｉｃａｌ ｅｆｆｉｃａｃｙ ａｎｄ ｍｏｒ— ｂｉｄｉｔｙ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｙｃｌｉｃ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｉｎｕ— 本系统构建了两套有限状态机：一套用来实现 菜单目录转换的Ｍｅｎｕ系统：另一套用来实现功能 状态转换的Ｍｅｃｈ系统 同时将各自跳转后的状态 作为一个触发事件使对方状态机也产生相应的跳 转．达到两者同步的效果。文献 ８］提出了基于 Ｓｔａｔｅｆｌ０ｗ状态图提取状态跳转表的方法．使生成复 杂的状态跳转表变得简单．把更多的时间与精力放 在状态图的设计上 应用程序（用户代码） ＯＩｌＳ ａｍｂｕｌａｔｏｒｙ ｐｅｒｉｔｏｎｅａｌ ｄｉａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ， １９９４，１２（４）：２６４． ［２］．彭屹．腹膜透析技术的发展现状［Ｊ］．国外医学：生物医学Ｔ程分 册，１９９９，２２（２）：９１—９５． ［３］．沈瑞清，叶任高，余学清．血液净化与肾移植［Ｍ］．北京：人民卫 生出版社．１９９９． ［亟 巫巫四 『４１．张梅．胡跃明，汪涛．基于多目标模糊模式识别的腹膜透析方案 选择［Ｊ］．生物医学工程学杂志，２００５，２２（２）：３３５—３３８． ［５］．胡跃明，袁鹏，吴忻生，等．肾衰竭治疗的智能腹膜透析系统［Ｊ ． 生物医学工程学杂志，２００５，２２（６）：１２４９—１２５２． 『６］．朱亚萍，陈伟，吴炎彪．等．标签检测抗干扰数字滤波方法研究 ［Ｊ］．传感技术学报，２００９，２２（１２）：１７２２～１７２６． 图８智能腹膜透析机系统软件架构 Ｆｉｇ．８ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｅｒｉｔｏｎｅａ ｄｉａｌｙｓｉｓ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ 『７］．任哲．嵌入式实时操作系统ｐ￣Ｃ＼ＯＳ一２原理及应用『Ｍ］．北京：北 京航空航天大学出版社．２００５． ８］．李洪蛰，胡跃明．陈安．智能腹膜透析机设计中提取状态跳转表 的方法［Ｊ］．计算技术与自动化，２００８，２７（４）：８４—８６． 一 自动化与仪表２ｏｌｏ（１１） 日
