基于LPC1549的智能超聲波氣泡傳感器*

胡永濤,馮新慶,周 強,高金峰,張憲順

(1.鄭州大學 電氣工程與自動化學院，河南 鄭州 450002；2.北京哈特凱爾醫療科技有限公司，北京 102200；3.河南工學院 電氣工程與自動化學院，河南 新鄉 453003；4.衛華集團有限公司，河南 長垣 453400；5.新鄉市旋轉機械運行狀態智能監測工程技術研究中心，河南 新鄉 453003)

0 引言

氣泡傳感器是醫療設備中重要的傳感器之一，廣泛用于輸液泵、透析機、人工心肺機、心衰治療設備等精密醫用儀器中[1]。在臨床治療過程中，氣泡傳感器可以實時監測管路中是否存在氣泡，并在檢測到氣泡時立即報警。氣泡傳感器檢測失效會導致氣泡進入患者體內，對患者產生不利影響[2]，因此，氣泡傳感器可靠穩定的工作對于保障患者正常治療，減少醫療事故的發生具有重要的現實意義。

超聲波具有抗干擾能力強、檢測原理簡單、易于實現等優點，是氣泡檢測的主要手段之一[3-5]。目前，市場上的傳統超聲波氣泡傳感器存在以下兩個缺陷：(1)在功能上，當管路中存在氣泡時，僅有聲光報警功能，不具備通信和控制功能，若醫護人員不能及時發現報警，將導致氣泡進入患者體內，嚴重時甚至導致醫療事故的發生。(2)在實現方法上，超聲波發射端一般采用連續脈沖或間斷的調制脈沖作為激勵源，激勵發射端壓電陶瓷產生連續的超聲波或間斷的超聲波[6]。采用連續脈沖具有電路簡單、易于實現和穩定性高的優點，但會縮短壓電陶瓷的壽命，從而縮短傳感器的使用壽命。采用間斷的調制脈沖，能夠有效延長壓電陶瓷的壽命，但需增加電子元器件以實現信號調制和解調，電路復雜，不易實現。同時，電子元件的增加導致傳感器穩定性降低，同樣不利于延長傳感器使用壽命。此外，兩種方式在超聲波接收端均需全程檢測，即發射端發射超聲波后，接收端立即進行檢測，忽略了超聲波的傳播時間，而這段時間很有可能會受到干擾信號的影響，降低檢測的可靠性。

本文擬采用微控制器LPC1549作為主控芯片，設計一種新的智能超聲波氣泡傳感器，以對傳統超聲波氣泡傳感器的功能和實現方法進行完善：(1)在功能上，增加了通信和控制功能，將管路中氣泡的狀態實時發送至醫療設備總控系統。當管路中出現氣泡時，傳感器在報警的同時也切斷管路，以有效避免因氣泡進入患者體內發生的醫療事故。(2)在實現方法上，對超聲波產生和檢測方法進行改進，利用LPC1549的狀態可配置定時器(State-Configurable Timers, SCT)和多速率定時器(Multi-Rate Timer, MRT)產生的間斷猝發脈沖作為激勵源，激勵發射端壓電陶瓷產生間斷的超聲波；針對接收端超聲波檢測，提出一種超聲波加窗檢測算法，僅對固定時間窗內信號進行檢測，即超聲波傳輸至接收端時開始檢測，超聲波離開接收端時停止檢測，以有效避免干擾，提高檢測的可靠性。這種智能超聲波氣泡傳感器具有電路簡單、易于實現、穩定性高、可靠性高、使用壽命長等優點。

1 超聲波氣泡傳感器檢測原理

超聲波是一種頻率高于20kHz的聲波，具有方向性好、穿透能力強、聲能集中、在水中傳播距離遠等優點，可用于清洗、碎石、殺菌消毒、測距等，在醫學上應用廣泛[7]。

超聲波在氣體、液體和固體中的能量衰減不同，因此?？刹捎猛干浞z測超聲波發射端和接收端之間是否存在氣體。超聲波氣泡傳感器原理如圖1所示，主要由超聲波發射電路、超聲波接收及檢測電路、發射端換能器、接收端換能器等構成。具體工作原理如下：(1)換能器采用固定諧振頻率的壓電陶瓷，超聲波發射電路輸出脈沖，激勵發射端壓電陶瓷發射超聲波；(2)超聲波經管路傳輸至接收端壓電陶瓷后被轉換為電能；(3)超聲波接收及檢測電路對接收到的電能進行檢測，以判斷管路中是否存在氣泡；(4)當管路中無氣泡時超聲波穿過液體的能量衰減很小，接收端壓電陶瓷接收到的超聲波能量較大，轉換后的電能較大；(5)當液體中有氣泡時，超聲波大部分能量在氣泡表面散射衰減，接收端壓電陶瓷接收到的超聲波能量較小，轉換后的電能較小。

圖1 超聲波氣泡傳感器原理圖

2 智能超聲波氣泡傳感器

2.1 智能超聲波氣泡傳感器系統組成

智能超聲波氣泡傳感器系統框圖如圖2所示，主要由微控制器、電源模塊、報警模塊、控制模塊、超聲波檢測模塊、通信模塊等部分組成。

圖2 智能超聲波氣泡傳感器系統框圖

LPC1549是NXP公司生產的一種基于ARM Cortex-M3內核的微控制器，主頻高達72MHz，具有256K的Flash和豐富的外設接口：包括4個4路SCT、1個4路MRT、76個通用輸入輸出(General Purpose Input Output, GPIO)、1個模擬電壓比較器(Analog Comparators, ACMP)、3個通用同步異步收發器(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter, USART)、1個控制器局域網(Controller Area Network, CAN)、2個標準外設接口(Standard peripherals interface, SPI)、1個內部集成電路總線(Internal Integrated Circuit bus, IIC)等。智能超聲波氣泡傳感器以微控制器LPC1549為核心，利用SCT和MRT產生猝發脈沖，驅動發射端壓電陶瓷發射超聲波，接收端壓電陶瓷接收超聲波，經檢測模塊轉換為梯形電壓，輸入至LPC1549的ACMP進行氣泡檢測。檢測結果由GPIO驅動LED進行指示，并可通過USART或CAN發送至總控系統的通信模塊，供總控系統處理。同時，根據氣泡狀態，利用LPC1549的SCT產生PWM驅動控制模塊的電磁閥及時打開或切斷管路，避免氣泡流入患者體內，保證正常治療。

2.2 超聲波加窗檢測

超聲波氣泡傳感器的基本功能是氣泡檢測，為了延長傳感器使用壽命，提高檢測可靠性，可采用超聲波加窗檢測方法對市場上的超聲氣泡傳感器進行硬件及軟件優化，用于實現對氣泡的可靠檢測。超聲波加窗檢測僅對超聲波時間窗內信號進行檢測，當超聲波傳輸至接收端時開始檢測，超聲波離開接收端時停止檢測。

室溫下，超聲波在ABS塑料和水中的傳播速度，發射端到接收端距離，超聲波從發射端到接收端的傳播時間。因此，可在超聲波傳輸至接收端時開始檢測，超聲波傳出接收端時停止檢測，即加窗檢測。連續脈沖激勵法通過對接收端脈沖計數實現氣泡檢測，當計數值小于脈沖值時，判斷為有氣泡，否則為無氣泡，接收端必須連續檢測。雖然調制脈沖法的激勵脈沖是間斷的，但在接收端需要對信號進行解調處理，通過讀取接收端方波個數判斷是否存在氣泡，同樣需要連續檢測。

智能超聲波氣泡傳感器通過猝發脈沖激勵產生超聲波，超聲波在接收端被轉換為梯形電壓，通過比較電壓大小實現氣泡檢測，當電壓小于設定值時，判斷為有氣泡，否則為無氣泡，由于無需解調和計數，可以方便地實現超聲波加窗檢測。猝發脈沖如圖3所示，脈沖是由SCT產生的PWM，頻率為1.76MHz，占空比為50%，幅值為3.3V，一個PWM包含10個方波信號。猝發時間由MRT控制，猝發頻率為1kHz，周期為1ms。

圖3 猝發脈沖

猝發脈沖激勵發射端壓電陶瓷發射超聲波，經6μs后傳輸至接收端壓電陶瓷，超聲波發射和接收時序如圖4所示，為了便于檢測和程序設計，超聲波發出5.68μs后，接收端才開始檢測，即時間窗從5.68μs開始，窗體大小6μs。

圖4 超聲波發射和接收時序

基于上述原理設計了超聲波氣泡檢測電路，如圖5所示，超聲波探頭通過接線端子P1接入LPC1549。LPC1549的PIO_8和PIO_17接紅綠雙色LED，指示氣泡狀態，有氣泡時LED為紅色，無氣泡時LED為綠色。LPC1549的PIO_24輸出圖3所示的猝發脈沖，經P1_1接發射端壓電陶瓷發射超聲波。P1_3接接收端壓電陶瓷，將超聲波轉換為微弱電信號，經兩級放大和帶通濾波后轉換為梯形電壓信號，有氣泡時電壓幅值較小，無氣泡時電壓幅值較大。梯形電壓信號通過LPC1549的PIO_25輸入至模擬電壓比較器，與設定電壓值進行比較，實現氣泡檢測。檢測電路僅用到一個放大器芯片AD8052，電路簡單，易于實現。

圖5 超聲波氣泡檢測電路

根據硬件電路及氣泡檢測原理設計了相應軟件，主程序流程圖如圖6所示，主要包括SCT初始化、MRT初始化和ACMP初始化3部分。

(1) 猝發脈沖：SCT3通道0設置為PWM輸出，PWM的頻率為1.68MHz，占空比為50%。MRT通道1設置為重復計數模式，頻率為1kHz，即每1ms進一次MRT中斷。進入MRT中斷后對通道1中斷進行處理，即開啟SCT輸出，并設置MRT通道0為單次計數模式，計數時長為5.68μs。MRT通道0計數結束后再次進入MRT中斷，對通道0中斷進行處理，即關閉SCT輸出。經MRT的兩次中斷處理，開啟和關閉SCT輸出，即可產生圖3所示的猝發脈沖。

(2) 加窗檢測：關閉SCT輸出的同時開啟ACMP中斷，開始氣泡檢測，即超聲波發出5.68μs后才進入ACMP中斷。由于ACMP設置為雙邊沿觸發的梯形電壓比較，當ACMP檢測到梯形電壓時停止檢測，即可實現加窗檢測。

2.3 電磁夾管閥管路控制

根據超聲波氣泡檢測硬件及軟件，智能超聲波氣泡傳感器每秒檢測1000次，具有較好的動態性能，能夠及時檢測到管路中的氣泡。當檢測到氣泡后，為避免氣泡流入患者體內，可通過電磁夾管閥實現管路的切斷。電磁夾管閥控制電路如圖7所示，電磁夾管閥額定電壓為24V，額定電流2A，通過雙半橋馬達驅動芯片DRV8816驅動電磁夾管閥。LPC1549的PIO_26和PIO_28控制DRV8816的IN1和IN2的使能，LPC1549的SCT0通道0和通道4分別輸出PWM至DRV8816的IN1和IN2，實現電磁夾管閥正反轉控制，進而導通或切斷管路。

圖6 主程序流程圖

圖7 電磁閥控制電路

3 試驗分析

根據設計要求制作出智能超聲波氣泡傳感器，如圖8所示。試驗針對智能超聲波氣泡傳感器氣泡檢測功能進行分析，分析信號包括實測的猝發脈沖、接收端收到的超聲波信號和經檢測電路轉換的梯形電壓信號。

管路中無氣泡時，示波器實測3種信號如圖9所示，從上到下依次為猝發脈沖信號、超聲波信號和梯形電壓信號。猝發脈沖的猝發頻率為999.996Hz，PWM頻率為1.761MHz，幅值為3.04V，共10個方波，與理論設計相符。猝發脈沖發出6μs后，接收端接收到超聲波信號，幅值為172mV，無氣泡時，超聲波信號衰減較小，接收端能夠獲得完整的超聲波信號。超聲波信號經檢測電路放大濾波后轉換為梯形電壓，幅值為1.52V。

1.LPC1549 2.超聲波探頭及接口 3.紅綠雙色LED 4.DRV8816及電磁閥接口 5.電源及CAN收發 6.串口收發 7.SWD程序下載接口 8.系統運行狀態指示燈

圖9 無氣泡時示波器實測信號

圖10 有氣泡時示波器實測信號

管路中有氣泡時，示波器實測3種信號如圖10所示，猝發脈沖的猝發頻率為999.997Hz，PWM頻率為1.764MHz，幅值為3.2V，共10個方波，與理論設計相符。猝發脈沖發出6μs后，接收端接收到超聲波信號，幅值為14mV，超聲波信號衰減較大，接收端不能收到完整的超聲波信號，經檢測電路放大濾波后轉換為梯形電壓，幅值為660mV。

管路中有氣泡和無氣泡時，梯形電壓信號幅值差別較大，經LPC1549模擬比較器進行比較，可判斷管路中是否存在氣泡。該傳感器已在心衰超濾治療設備上進行應用測試，測試結果表明氣泡檢測快速可靠，有氣泡時能及時切斷管路，并將氣泡狀態發送至設備總控系統。

4 結束語

本文對傳統超聲波氣泡傳感器進行硬件及軟件改進，提出超聲波加窗檢測算法，設計出具有通信及管路控制功能的智能超聲波氣泡傳感器。試驗分析及在心衰超濾治療設備上的應用測試結果表明，本文設計的智能超聲波氣泡傳感器具有氣泡檢測快速可靠、管路切斷迅速及時、通信功能良好等優點，為醫療設備提供了一種新型氣泡傳感器。