【作 者】陳維波，項蒙，王武

溫州醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院，浙江，溫州，325000

呼吸機、麻醉機、肺功能儀等醫(yī)療儀器在監(jiān)測人體通氣狀況時，氣體的流速流量測量具有重要意義。然而，要實現精確、線性、寬量程和穩(wěn)定的氣體流量測定，必須克服設計、生產制造中的諸多困難，流量傳感器的設計和測量信號的去噪處理一直是工業(yè)界和學術界關注的一個熱點課題。

通常，醫(yī)用設備流量傳感器的結構主要有熱線式[1]、膜片式和機械轉子式等。熱線式流量傳感器，是利用氣體流過熱線電阻表面時會帶走一定的熱量，從而引起熱線電阻阻值發(fā)生變化，再通過惠斯通電橋測量電壓或電流信號，進而計算出氣體流速。熱線式流量傳感器缺點是一致性差、易損壞。膜片式流量傳感器是利用文丘里原理測量氣體流量的。這類傳感器膜片易積水，準確性不高。機械轉子式流量傳感器根據法拉第電磁感應原理測量流體流速，缺點是傳感器體積大，低流速氣體的測量誤差較大。

要獲得精確穩(wěn)定實時的流量測量數據，信號消噪處理也同樣重要。由于受干擾的傳感器信號屬于非平穩(wěn)信號，而干擾源與有用信號的頻帶范圍又有可能相互重疊。因此，使用傳統(tǒng)的傅里葉變換對這類信號進行去噪時，必然是在降低噪聲的同時也展寬了波形，損失了這些突變點可能帶有的重要信息。

針對以上主要問題，本文設計了一種基于新型量熱式傳感器及DSP小波分析信號處理的氣體流量測定系統(tǒng)，以Matlab為平臺進行了小波去噪仿真對比實驗。該方案通過一定的硬件電路和配套軟件及算法來實現，具有精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，特別適合嬰幼兒小潮氣量低流速的測定。

1 流量傳感器測量原理

量熱式傳感器的實質是利用流體流動時，流體與固體間的熱交換，通過測量熱量的傳遞、轉移和平衡來求得流體的流量?？紤]到國內外現有醫(yī)療器械中流量傳感器的優(yōu)勢與不足，本文設計的傳感器是在一恒定熱源兩側對稱安放兩個相同的溫敏芯片，將其置于氣流之中，通過檢測由氣體流動導致的熱源與兩個溫敏元件間熱交換的不對稱來獲得流速信息[2,3,4]?，F從傳熱學角度對該傳感器原理作進一步的分析，分析中假定氣流為均勻分布的牛頓型流體，且處于層流狀態(tài)。以一維測量為例，如圖1所示。

圖1 流量傳感器結構示意圖Fig.1 Basic structure of fl ow sensor

熱源RH置于傳感器基片的中心，在其兩邊對稱地放置兩個完全相同的溫度檢測芯片ST1和ST2。傳感器與氣流之間的熱交換主要通過對流進行，熱源與溫敏芯片之間的熱交換可通過傳導和對流進行。當氣流速度為零，即當氣流處于靜止狀態(tài)時，表面附近的流線場及主要由此產生的溫度場相對于熱源呈對稱分布，見圖2(a)所示。由于結構上的對稱性，通過基片熱傳導進行的熱交換相對于熱源始終是對稱的。此時感溫芯片的溫度滿足TST1=TST2，即溫差△T21= TST2-TST1=0。

當流體流動時,溫敏芯片表面附近的流線場及相應的溫度場相對于中心熱源的分布發(fā)生變化，導致傾向性的不對稱分布，見圖2(b)所示。根據熱邊界層理論[3]可知，此時上游溫敏芯片ST1表面冷卻速率高于下游芯片ST2表面，即TST2＞ TST1，溫差△T21＞0，且△T21的值隨氣體流速的增大而增大。如果改變氣流方向，△T21正負號取反。

圖2 流速不同時的流場分布Fig.2 Flow fi elds at different fl ow velocities

在此利用熱平衡方程可以計算出因對流引起的芯片表面的溫度再分布，獲得溫度差與流速的關系式[5,6]：

式中：Vf為流速，Tv0為當流速為零時的溫敏芯片表面溫度。此式表明，溫度差與氣體流速的平方根成正比。再由溫敏芯片把溫差信號轉變?yōu)殡妷翰钚盘?，這樣流速與它引起的電壓差信號可作為流量傳感器測量的理論依據[7]。

2 硬件電路設計

氣體流量測定儀由流量傳感器、電壓放大器、50Hz陷波器、A/D轉換器、TMS320VC5402數字信號處理器、熱源控制電路、LCD顯示器、鍵盤、程序存儲器和開關電源組成，其框圖如圖3所示。氣體流量測定儀的關鍵模塊設計如下。

圖3 氣體流量測定儀組成框圖Fig.3 Schematic diagram of fl ow meter

圖4 流量傳感器電路Fig.4 Circuit of fl ow sensor

2.1 流量傳感器模塊

流量傳感器是氣體流量測定儀硬件設計的關鍵，如圖4所示。它包括兩個全對稱的溫度傳感器ST1和ST2，精密片狀鉑薄膜熱源RH，加熱恒流源IH和溫度傳感器供電電壓VDD。工作時，ST1、ST2輸出與溫度成線性關系的電壓信號，則溫差電壓信號△V21=V2-V1。設計采用了National Semiconductor公司的CMOS型模擬溫度傳感器LM94021，溫度測量范圍-50oC到150oC(在-50℃到70oC下，精度±1.8oC)。當增益設置GS1=0，GS0=0時，輸出電壓與溫度的關系為：

式中T為Kelvin溫度，△T21為溫敏傳感器ST2和ST1的溫差。同時LM94021采用SC70小封裝，面積約2.5 mm2，熱慣性小，具有極好的溫度響應速度、靈敏度和輸出阻抗，適用于溫度的精密測量。由于熱源RH的阻值直接影響熱源的加熱功率，設計中采用高精度片狀鉑薄膜電阻構成。根據焦耳定律，電阻的發(fā)熱功率P=IH2*RH。熱源的加熱功率在測量過程中保持恒定，明顯提高流量傳感器的精度和穩(wěn)定性。顯然，在流速一定的條件下，熱源功率越大，Tv0越大，根據式(1)，△V21絕對值也越大。

2.2 電壓放大電路及50 Hz陷波器

放大器選用OP07，放大倍數設為10倍，帶調零電路。50 Hz陷波器采用有源二階反相陷波器MXT050。

2.3 A/D采樣電路與DSP的接口

A/D轉換器采用是美國AD公司BiMOS工藝12位模數轉換芯片A/D1674，采用逐次比較方式工作，內含采樣保持器，采樣頻率100 KHz，精度達0.05%。DSP處理器采用美國TI公司TMS320VC5402，支持C語言編程。圖5給出了本系統(tǒng)采用的完全受控工作方式下AD1674雙極性輸出與VC5402的接口電路圖。DSP通過數據線從16位總線收發(fā)器74ACT16245讀取AD1674轉換數據，通過CPLD（Complex Programmable Logic Device）與瑞泰創(chuàng)新公司的ICETEK-5100PP仿真器連接[8]。

圖5 A/D與DSP的接口電路Fig.5 Interface circuit of A/D and DSP

2.4 熱源控制電路

本模塊采用基于TMS320VC5402的恒流源輸出子系統(tǒng)。DSP的I/O引腳通過8路電平轉換芯片74LVC245與數模轉換芯片DAC0832連接，輸出電流模擬量Iout，經功放TDA2030a放大后作為片狀鉑薄膜熱源RH的輸入恒流源IH。熱源RH的發(fā)熱功率由TMS320VC5402設定控制。

圖6 恒流源控制電路Fig.6 Control circuit of constant current supply

2.5 LCD顯示器、鍵盤與程序存儲器電路

由于鍵盤和LCD顯示器都是慢速外設，與快速的DSP連接時存在速度匹配問題，特別在鍵盤延時10ms以上時，為此，設計時附設了一個接收鍵盤值的微控制器89C2051，編碼后送給DSP；DSP通過74LV373鎖存器將數據送給LCD。程序存儲器采用ADM公司的Am29LV160D Flash，在Code Composer Studio(CCS)環(huán)境下，將儀器程序和上電加載程序刻錄到Flash中，待DSP上電后從中讀取程序代碼。

3 軟件設計與處理算法

3.1 軟件設計

軟件開發(fā)平臺為TI公司專門提供開發(fā)DSP的軟件平臺CCS，使用匯編和C語言混合編寫DSP程序的編譯、匯編并鏈接成為可執(zhí)行的DSP程序。根據系統(tǒng)要求和實際的硬件結構，設計了圖7所示的軟件總流程圖。為了與AD1674進行正確的通信，VC5402還必須進行如下初始化。

1) 將VC5402的工作時鐘調整到100 MHz。VC5402上電復位后，按照CLKMD1、CLKMD2、CLK-MD3的設置(110)而工作在PLLx1模式下，即工作在與外部晶振頻率(10 MHz)相同的頻率上，這時需軟件調整DSP的工作頻率。

2) VC5402的CPU控制寄存器的初始化。

3) 全局中斷使能，初始化中斷屏蔽寄存器(IMR)，本文中把外部中斷0(INT0)分配給AD1674。

為了防止數字信號處理器RAM中的重要數據在受干擾時被沖毀，在程序中把相應的數據做了備份，存入片外的“看門狗”芯片X25045中，并在系統(tǒng)下次復位后恢復數據。

圖7 軟件流程圖Fig.7 Software fl ow chart

3.2 處理算法

處理算法部分是氣體流量測定儀精確測量的關鍵。由于受干擾的傳感器信號屬于非平穩(wěn)信號，且干擾源與有用信號的頻帶范圍相互重疊。由于小波變換具有局部時頻分析能力，因此采用小波變換采樣信號進行降噪處理[9,10]。連續(xù)小波變換的表達式為：

式(4)中x(t)為分析的信號，ψa,b*(t)為基本小波函數。一般，采用小波去噪的過程可分為3個步驟：

1) 信號的小波分解。選擇一個小波并確定分解層次，然后進行分解計算。經過對幾種常用小波的分析比較，本文中選用支撐長度、對稱性、正交性等綜合考慮能保證去噪效果的symlet小波作為小波基函數。考慮到計算量及DSP處理器運算速度和內存容量，確定分解層數為3，如圖8所示。去噪后的信號能很好地保留原信號的時域信息。

圖8 對流量信號進行3層分解簡圖Fig.8 Layer 3 of the fl ow signal decomposition diagram

2) 小波分解高頻系數的閾值量化。對各個分解尺度下的高頻系數，選擇一個閾值進行軟閾值量化處理。根據實際情況對幾種閾值去噪法的比較，選用Matlab中的無偏似然估計原則(rigrsure)進行去噪處理。

3) 小波重構。根據小波分解的底層低頻系數和各層高頻系數進行小波重構。

4 仿真對比實驗

以Matlab7.0作為仿真平臺，選擇含有噪聲的仿真信號noisbloc（如圖9）作為原始信號，分別使用FFT和小波分析法對信號進行去噪處理。小波基函數是sym6，分解層數為3，無偏似然估計（rigrsure）作為閾值。Matlab去噪命令：

得到的xd為去噪后的信號，對比結果如圖10所示。

由圖10可以看出，symlet小波分析去噪的效果明顯優(yōu)于快速傅里葉變換。為了更加精確地表示去噪結果，可以計算去噪后信號的信噪比(RSN)和均方根誤差(RMSE)。

圖9 原始信號Fig.9 Original signal

圖10 去噪方法對比Fig.10 Comparison of different denoising methods

設原始信號為x(n)，去噪后的信號為x’(n)，則信噪比定義為：

原始信號和去噪信號的均方根誤差定義為：

信號信噪比越高，均方根誤差越小，去噪信號就越接近原始信號，消噪效果越好。表1給出FFT和symlet小波分析去噪后信噪比和均方根誤差的比較。從表中可以看出，rigrsure閾值symlet小波分析降噪結果的信噪比和均方根誤差指標均優(yōu)于FFT。

表1 不同去噪方法RSN和RMSE的比較Tab1.Comparison of RSN and RMSE

5 結論

本文設計的方案克服了傳統(tǒng)氣體流速測定儀（模塊）的缺陷，信號處理算法通過Matlab仿真得到驗證，具有精度高、性能穩(wěn)定和較高的信噪比等優(yōu)點，可應用于呼吸機、麻醉機、氣體分析儀和肺功能儀等監(jiān)測分析人體通氣狀況的醫(yī)療儀器，特別適合小潮氣量低流速的測定，如新生兒呼吸機、旁流氣體檢測儀（模塊）等。

[1] Van Dijk A,Nieuwstadt F TM.The calibration of (multi-) hot-wire probes.1.temperature calibration[J].Experiments in Flids, 2004,36(4): 540-549.

[2] 黃金彪, 李斌, 童勤義, 等. 全集成式流量傳感器[J]. 半導體學報,1989, 10(1): 55-60.

[3] HUANG Jin-biao, TONG Qin-yi.Integrated multi-function sensor for fl ow velocity,temperature and vacuum measurements[J]. Sensor and Actuators, 1989, 19:3-11.

[4] 于梅芳, 沈克強. CMOS流量傳感器的傳熱特性分析[J]. 固體電子學研究與進展, 1995, 15(4): 412 416.

[5] Van Oudeusden B W.The thermal modeling of a fl ow sensor based on differential convective heat transfer[J]. Sensor and Actuators A,1991, 29:93-106.

[6] Van Oudeusden B W.Silicon thermal fl ow sensors[J]. Sensor and Actuators A, 1992, 30:5- 26.

[7] 趙夢戀, 等. 一種低流速氣體流量傳感器的研制[J]. 浙江大學學報(工學版), 2005, 39(2): 180-184.

[8] 麥毅強, 等. TMS320VC5402與模數轉換器AD1674的接口設計[J]. 應用科技, 2005, 32(7): 35-37.

[9] 黃濤, 王剛. 空氣流量傳感器智能測試系統(tǒng)的設計[J]. 自動化與儀表, 2010, 25(3): 52-55.

[10]高成.Matlab小波分析與應用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2007.

[11]張勇, 陳天麒. C/C++語言硬件程序設計[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2003.

[12]程德福. 智能儀器[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,2009.