【技术大神】压力传感器SM9541在肺功能仪中的正确使用

2018-03-16 世强 Hesvidia
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在肺功能研究中,便携式肺功能仪是基本的实验设备。它通过测量呼吸气体的容积、流速和压力的变化,让研究人员或医生用来分析出呼吸问题。比如近年来日益严重的慢阻呼吸性肺病(COPD),哮喘(Asthma),气道阻塞等常见呼吸疾病。然而肺功能仪的设计涉及到很多医学、电子相关的知识等,门槛较高,所以国内自主研发的还是少之又少。现有机会涉足这一领域,同时,也减少其他使用此颗传感器的工程师们少走弯路,特分享开发心得。


基本设计流程如下,本文只讨论前端采集部分,只有采集的数据准确,后面的分析才有意义。


图1 便携式肺功能仪设计流程


流量的检测,目前业界做的比较好的传感器是SMI压力传感器SM9541, 其凭借低压差,高稳定性,以及内部温度校准等优势,为简化流量检测设计,提供了很大方便。连接方式见下图:


图2 基于压力传感器SM9541的流量检测设计电路连接


(备注: 由于多个传感器的I2C设备地址都是0x28, 为避免总线冲突,需要分开控制传感器。使用多组I2C或者GPIO来控制,都是不错的方式)。


气体采集部分,使用自主研发的Fleisch气体采集管(目前已经申请专利),把呼吸气流从湍流变成平流,使流速和压力呈线性关系。再把采集的气体,送给流量和压力传感器进行检测,检测后,把结果通过I2C送给外部的MCU进行分析。


图3 



使用时,用呼吸管把Fleisch管的+/-端接到SM9541的+/-端。这个地方不能接错了,否则,读出的结果和呼吸的方式就是反的。 


之前我就是没注意区分,导致结果偏差很大。连接好后,就可以对着管子呼吸来进行数据采集了。我们要通过多组数据,找到b1, b2, b3的线性回归系数,获取精确的流量值。


方法如下: 

1. 先确保MCU对SM9541的访问是正确的。

SM9541采用I2C总线,Slave address = 0x28, 采用基于地址的数据读取。格式如下,



我们只需要读取压力数据的2个字节,采用I2C读取DF2格式。读取时,请注意:

7bit的值是0x28,也就是010 1000,读取的时候,需要变成8bit,其中bit0 =1;

也就是0101 0001 = 0x51;这个千万不用弄错了,否则,SM9541会一直没有反应的。我们之前在此处耽误了很长时间来弄清楚这个问题。


Device_Read_Byte = (Device Address << 1) + 1;

i2c_write(Device_Read_Byte);


这里的device address 就是0x28;在用I2C写的时候,就变成了0x51。


2.从SM9541读取的直接数据,单位是count, 需要利用公式转换成我们需要的cmH2O格式,这样,我们就可以利用cmH2O做更多的分析。

i2cv.pressure = 0x3fff & ((i2c_byte1 * 256) + i2c_byte2) 

Pressure_reading = (((max_press – min_press)/( max_count –min_count))*

(i2cv.pressure - min_count) + min_press)


其中,max_press, min_press是当前使用器件的测量范围,和型号有关。我目前用的是-100~+100 cmH2O量程,所以 max_press =100,min_press =-100。


Max_count和min_count是规格是里面规定的最大压力输出值,单位是count,从规格书中,可以查到:max_count = 14745,min_count = 1638。


这样,就可以根据上面公式,计算出当前采集的压力差是多少cmH2O了。


3.MCU对SM9541成功进行访问后,就可以采集数据进行分析了。

采集前,先采样SM9541的静态压力值20s,采样间隔是2ms,得到10000个数据, 对得到的数据,绘图,可以看到压差值并不为0,说明气道回路有dead space存在,或者SM9541本身有温漂或者噪声存在。


 

图4


可以看出,基本的噪声或者dead space压力在0.27cmH2O左右,都在0.3以下。


4.对10000-20000个数据取平均值,就可以得到噪声值或者温漂值参考值,正常读取时,需要把读出的值,减去这个噪声平均值,才是真正的压力值。

          

实际压力值  =SM9541读取值  -  噪声平均值


5. 使用3L的定标筒,对着Fleisch管吹气,采集20s,采样间隔2ms,得到10000个呼吸压力数据。利用上式,计算10000个实际压力值。采集到的,理论上应该是3L。重复500次,得到500组数据,每组10000个,共计500万个压力数据值。  


把这500万个数据,组成一个10000*500的矩阵 M(10000,500)。



6.执行新的3L的呼气,计算出新的flow(t), 看是否接近3L,误差在, 如果是,说明系数是可以使用的。如果不可以,需要进行重新拟合,直到精度满足。


7.上面是校准的步骤。校准后,就可以测试人的正常呼吸了。


最后,根据笔者的项目设计也总结了以下SM9541的设计注意事项:

  1. SM9541对电源比较敏感,设计时,需要LDO单独供电,用来减少噪声。

  2. 2.SM9541的I2C和标注你的I2C协议,时序上稍微有点不同,设计程序是,需要对ACK部分,做特殊处理。

  3. SM9541的I2C最好不要和其他I2C器件共用一组I2C总线,因为2者的初始状态不同,容易导致I2C相互干扰,数据访问不到的情况。

  4. 如果对SM9541的I2C不是很熟悉,可以使用MCU的IO口,进行IO口模拟,这样,时序就很容易调整。

  5. SM9541器件底部的金属片,是用来散热用的,不可以接GND, 这个需要特别注意。接到GND,反而会不GND上噪声带过来。

  6. 选择规格时,需要根据自己的实际应用来选择对应型号和型号对应的参数。

  7. SM9541的参数校准是必须要做的。否则数据会不准。

  8. SM9541的气道通路的参数,需要精确知道,否则,计算出来的没有实际意义。

  9. SM9541的温度读取,主要是用来BTPS校准用的,这个温度参数会影响空气的粘滞系数,也会改变气道的阻力。


如果在气道参数计算时,考虑了温度,就不用读取温度参数。如果没有考虑,就需要读取温度数据,用来计算。


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  • 用户50283199 Lv7. 资深专家 2020-09-11
    学习学习
  • 海锋 Lv9. 科学家 2018-07-25
    学习了
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