一種基于LabVIEW的呼吸機控制系統(tǒng)設計

【作 者】裴葆青，徐聲偉，李慧，李德玉，裴毅東，何海星

北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院、生物力學與力生物學教育部重點實驗室，北京，100191

一種基于LabVIEW的呼吸機控制系統(tǒng)設計

【作 者】裴葆青，徐聲偉，李慧，李德玉，裴毅東，何海星

北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院、生物力學與力生物學教育部重點實驗室，北京，100191

設計一種呼吸機控制系統(tǒng)，被控對象為比例閥和電機，以實現(xiàn)呼吸機的基本功能。采用LabVIEW設計的軟件直接與硬件互連，進行硬件環(huán)仿真和算法設計的驗證和評估。采用上層上位機和下層實時機運行無實時要求和有實時要求的程序，上下層之間通過TCP/IP通信。軟件程序設計模塊化，可擴展性強，易于維護，并且可以方便地將原型開發(fā)階段的成果無縫連接到實際的嵌入式產(chǎn)品，加快開發(fā)速度，提高開發(fā)效率。

呼吸機；LabVIEW；控制系統(tǒng)；PID

醫(yī)療電子設備市場競爭激烈，快速構建原型系統(tǒng)是縮短開發(fā)時間的關鍵。本文采用LabVIEW和相關硬件測試平臺，設計了一種呼吸機控制系統(tǒng)。它將呼吸機的概念設計，原型設計階段的工作移植到統(tǒng)一開發(fā)平臺中，在一個開發(fā)平臺下集成算法和硬件：一方面，在算法設計階段引入I/O、A/D、D/A等硬件資源進行前期的驗證，可以在更早階段發(fā)現(xiàn)并修正潛在的錯誤；另一方面，由于使用同樣的開發(fā)環(huán)境，算法設計的代碼可以在原型設計的過程中被重用，從而簡化編程的復雜性。這樣從根本上加快循環(huán)遞進的過程，縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間[1,2]。

1 系統(tǒng)結構和控制電路簡介

本系統(tǒng)主要通過控制比例閥和電機的開合，從而達到實現(xiàn)呼吸機各種通氣模式的目的。系統(tǒng)總體結構如圖1所示，分為上層和下層。系統(tǒng)層次圖如圖2所示。

系統(tǒng)中比例閥、電機及其驅動電路、傳感器及其放大電路都采用實際的物理設備，LabVIEW則實現(xiàn)人機界面、通氣模式算法和PID控制。上位機使用windows XP操作系統(tǒng)，實現(xiàn)人機界面、血氧監(jiān)護和通氣模式算法；下層實時機為安裝有NI公司數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW RT模塊的Desktop PC，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和PID控制。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 The Chart of System

使用采集卡的兩路AO通道控制比例閥、電機，其驅動電路如圖3所示。使用采集卡的兩路AI通道接收呼氣流量和氣道壓力值。而對吸氣流量的測量采用I2C數(shù)字傳感器，使用采集卡的3個DIO通道和軟件模擬I2C總線的方式來接收呼氣流量值[3]。

2 軟件模塊設計

本系統(tǒng)采用分層的方法，進行模塊化設計。整個系統(tǒng)分為兩層（圖2），LabVIEW在上位機即軟件上層實現(xiàn)人機界面、血氧監(jiān)護和通氣模式算法，而在實時機即軟件下層實現(xiàn)PID控制算法和數(shù)據(jù)采集以及控制信號的輸出。上下層通過TCP/IP通信。下面分別對TCP/IP通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、PID控制算法模塊進行詳細介紹。

2.1 TCP/IP通信模塊設計

圖2 系統(tǒng)層次圖Fig.2 The Layer of System

圖3 比例閥、電機驅動電路圖Fig.3 The Driver of Prop. Valve

由于本控制系統(tǒng)的人機界面、通氣模式算法和PID控制分別在上位機和實時機上運行，彼此要進行實時數(shù)據(jù)交換，通信速度和可靠性要求高，因而采用TCP/IP協(xié)議通信。

TCP/IP提供一種面向連接的、可靠的傳輸層服務。LabVIEW提供TCP節(jié)點，經(jīng)過簡單的編程便可實現(xiàn)通信，靈活性好，可靠性高[4]。其實現(xiàn)方式如下所述。

將實時機配置為TCP服務器，將上位機配置為TCP客戶端。

在服務器端：使用偵聽TCP函數(shù)，指定端口，等待連接建立；如連接已建立，使用寫入TCP數(shù)據(jù)函數(shù)以字符串的形式將消息發(fā)送給客戶端；指定讀取字節(jié)數(shù)，使用讀取TCP數(shù)據(jù)函數(shù)讀取客戶端消息，并解碼；使用關閉TCP連接函數(shù)關閉連接。

在客戶端：使用打開TCP連接函數(shù)，指定服務器的遠程端口和服務器的網(wǎng)絡地址，打開與服務器的連接；指定讀取字節(jié)數(shù)，使用讀取TCP數(shù)據(jù)函數(shù)讀取來自服務器的消息，并解碼；使用寫入TCP數(shù)據(jù)函數(shù)向服務器發(fā)送消息；使用關閉TCP連接函數(shù)關閉與服務器的連接[5]。

在使用TCP發(fā)送數(shù)據(jù)時，為了保證可靠性，采取了信號量機制，如圖4所示。

圖4 TCP數(shù)據(jù)發(fā)送程序Fig.4 The Program of TCP Sender

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設計

數(shù)據(jù)采集工作在實時機進行。根據(jù)使用的傳感設備不同，分別有兩種數(shù)據(jù)采集方式：模擬數(shù)據(jù)采集和數(shù)字數(shù)據(jù)采集。在本系統(tǒng)中，由于分別采用了模擬傳感器和數(shù)字傳感器，因而數(shù)據(jù)采集部分分為模擬數(shù)據(jù)采集和數(shù)字數(shù)據(jù)采集。

模擬數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)方式比較簡單，通過直接調(diào)用LabVIEW的驅動庫函數(shù)即DAQmx庫，進行簡單的編程實現(xiàn)。程序如圖5所示。在本系統(tǒng)中同時采集兩路模擬傳感器數(shù)據(jù)，并經(jīng)過校準，變成實際流量和壓力信號供PID控制使用。

圖5 模擬數(shù)據(jù)采集程序Fig.5 The Program of DAQ

數(shù)字數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)方式比較復雜。由于采用的數(shù)字傳感器通信方式為I2C總線方式，而系統(tǒng)所使用的采集卡硬件不支持I2C通信，因而使用數(shù)據(jù)采集卡的3個DIO通道通過軟件模擬的方法實現(xiàn)，程序如圖6所示。本系統(tǒng)中采集一路I2C數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)，并經(jīng)過濾波和校準，變成實際的流量信號供PID控制使用。

2.3 PID控制算法模塊設計

圖6 I2C數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)采集程序Fig.6 The Program of I2C

軟件上層通氣模式算法模塊，用于將人機界面的參數(shù)轉換成當前模式下的控制信號，控制比例閥和電機。軟件下層PID控制算法模塊，用于實現(xiàn)底層PID控制并將控制信號通過AO口輸出給硬件驅動電路。

PID控制采用增量式PID控制算法，并對增量和輸出量進行限幅[6-7]。其算法為：

△u(k)=Kp*△e(k)+K1*e(k)+KD*[△e(k)-e(k-1)]，

其中△e(k)=e(k)-e(k-1).

如果△u(k)＞上限值，則△u(k)=上限值；

如果△u(k)＜下限值，則△u(k)=下限值。

u(k)=u(k-1)+△u(k),其中u(k)為第k次采樣時控制器的輸出值。

如果u(k)＞上限值，則u(k)=上限值；

如果u(k)＜下限值，則u(k)=下限值。

式中：Kp，KI，KD分別為比例、積分、微分系數(shù)，e(k)為K時刻輸出值與設定值的差。PID的輸出直接控制比例閥和電機，使呼吸機的流量和壓力值穩(wěn)定在給定值。其中△e(k)、△e(k-1)是e(k)分別延時一個和兩個采樣周期得到，可以在while循環(huán)中添加兩組移位寄存器實現(xiàn)。通過公式節(jié)點進行相應的計算，可以得到PID控制。程序如圖7所示。

圖7 PID控制程序Fig.7 The Program of PID

3 仿真測試

在人機界面中，首先對TCP/IP端口進行配置，設置一定的通氣參數(shù)，然后運行程序。修改通氣參數(shù)可得到不同的通氣波形。通過調(diào)整PID的參數(shù)可得到不同的通氣效果，其中一組VCV通氣模式的通氣波形曲線如圖8所示。自上而下的曲線依次為壓力波形，流量波形和設置的流量波形。此時PID參數(shù)為：KP=0.4，KI=0.6，KD=0.3。

圖8 實驗結果曲線Fig.8 The Curve of Result

4 結束語

本文主要是設計一種基于LabVIEW的呼吸機控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)將呼吸機的概念設計，原型設計階段的工作移植到統(tǒng)一開發(fā)平臺之中，即在一個開發(fā)平臺下集成算法和硬件，方便地實現(xiàn)硬件在環(huán)仿真實驗，使仿真更接近實際情況，獲得更精確的信息。整個系統(tǒng)的軟件模塊化，可以隨時更換控制策略，而不必重新設計其它部分，減少了設計者的勞動量，提高了開發(fā)產(chǎn)品的效率，降低了系統(tǒng)的維護成本，縮短了開發(fā)產(chǎn)品的周期。

[1] [1] 湯敏, 倪斌．基于LabVIEW平臺快速搭建醫(yī)療電子設備的原型[J]. 電子設計技術, 2008, (7): 138-140.

[2] 方敏, 陳志超, 張明. 基于虛擬儀器的過程控制系統(tǒng)的設計[J]. 儀表技術與傳感器, 2008, (9): 37-39.

[3] 陸鋒, 蘆俊, 張曉松. 基于LabVIEW的虛擬儀器測試系統(tǒng)的I2C總線通信設計[J]. 自動化與儀器儀表. 2004, (4): 6-8.

[4] 楊樂平. LabVIEW高級程序設計[M]. 北京: 清華大學出版社, 2003.

[5] National Instruments. LabVIEW 8.6 Express user Manual. 2008

[6] 陶永華, 等. 新型PID控制及其應用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2001.

[7] 劉金琨. 先進PID控制MATLAB仿真（第二版）[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

A Design of Simple Ventilator Control System Based on LabVlEW

【 Writers 】Pei Baoqing, Xu Shengwei, Li Hui, Li Deyu, Pei Yidong, He Haixing
School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China

ventilator, labVIEW, control system, PID

TH772

A

10.3969/j.isnn.1607-7104.2011.01.012

1671-7104(2011)01-0050-03

2010-09-29

裴葆青，E-mail: pbq@buaa.edu.cn

【 Abstract 】This paper designed a ventilator control system to control Proportional Valves and Motors．It used LabVIEW to control the object mentioned above and design ,validate, evaluate arithmetic, and establish hardware in loop platform．There are two system’s hierarchies. The high layer was used to run non-real time program and the low layer was used to run real time program. The two layers communicated through TCP/IP net. The program can be divided into several modules, which can be expanded and maintained easily．And the harvest in the prototype designing can be seamlessly used to embedded products. From all above, this system was useful in employing OEM products.