【技术大神】压力传感器SM9541在肺功能仪中的正确使用

时间： 2018-03-16 来源：世强作者：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的压力传感器 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：

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.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。
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。
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。
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。
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。
SM9541的参数校准是必须要做的。否则数据会不准。
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。
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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