郭 良，羅自力，陳 祥，何 湘，秦志強

0 引言

本檢測裝置是專門針對高原小型制氧機檢測所設(shè)計的設(shè)備。高原小型制氧機是高海拔駐軍部隊日常和應(yīng)急情況下必不可少的制氧設(shè)備，關(guān)鍵時刻亦作為高原并發(fā)癥的急救裝備使用，其工作狀態(tài)的好壞直接影響官兵的用氧安全與健康。

高原小型制氧機是應(yīng)用物理變壓吸附原理產(chǎn)生氧氣的設(shè)備，原理上應(yīng)該叫做氧濃縮機，以示與化學(xué)產(chǎn)氧方法的區(qū)別，但是行業(yè)習(xí)慣仍然把應(yīng)用物理變壓吸附原理的設(shè)備叫做“小型制氧機”[1-2]。

經(jīng)查新檢索，目前市場上還沒有專門的小型制氧機檢測裝置[3]。之前檢測（包括檢定）小型制氧機時需要用壓力標(biāo)準(zhǔn)器、流量標(biāo)準(zhǔn)器及氧氣濃度標(biāo)準(zhǔn)器等3種標(biāo)準(zhǔn)器[4]，不但攜帶不便，操作也很繁瑣。為適應(yīng)高原邊防的環(huán)境需求，本檢測裝置集成了壓力、流量、氧氣體積分?jǐn)?shù)、大氣壓、溫度等參數(shù)的測量功能，具備功能齊全、性能穩(wěn)定、測量精度高、便于攜帶、使用方便、調(diào)校方法簡單等特點。

1 參數(shù)的選擇與要求

根據(jù)高原小型制氧機的功能特點[5]，工作壓力、輸出流量、產(chǎn)氧體積分?jǐn)?shù)3項參數(shù)可以比較客觀地表征高原小型制氧機的應(yīng)用質(zhì)量狀況，只要其中之一發(fā)生明顯變化，將影響設(shè)備的工作狀態(tài)。所以，選定這3項敏感度高的參數(shù)作為檢測目標(biāo)參數(shù)。

1.1 壓力

不同廠家、品牌、型號的設(shè)備由于分子篩粒料物理特性的差異、分子篩粒料裝填體積不同、分子篩吸附/解吸周期不同，工作壓力各有不同[1]。為了兼顧各型制氧機工作壓力的差異，壓力單元的測量范圍擬選定為0～1.6MPa，準(zhǔn)確度為1%F.S（滿量程）。

1.2 流量

目前，大部分高原小型制氧機的最大輸出流量為5 L/min，個別機型可以達(dá)到6 L/min。流量單元的測量范圍預(yù)留適當(dāng)冗余，擬選定流量測量范圍為0～8 L/min，準(zhǔn)確度為 5%F.S。

1.3 氧氣體積分?jǐn)?shù)

氧氣體積分?jǐn)?shù)的測量范圍為0%～100%，準(zhǔn)確度為2%F.S。

2 設(shè)計方案

本設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，共分4個模塊：電池管理模塊、電源模塊、模擬信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理與人機交互模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。各模塊功能如下。

2.1 電池管理模塊

電池管理模塊外置AC-DC開關(guān)電源模塊，內(nèi)置可充電電池。電池充滿后，在失去外部電源支持的情況下，至少可持續(xù)維持檢測工作4 h。電池管理模塊包括鋰電池保護(hù)電路和充電管理電路2個部分，示意圖如圖2所示。

電池保護(hù)電路是為避免鋰電池因過充電、過放電、電流過大導(dǎo)致電池壽命縮短或電池被損壞而設(shè)計的，它具有高精確度的電壓檢測與時間延遲電路。其參數(shù)為：過充檢測4.3 V，過充釋放4.05 V；過放檢測2.3 V，過放釋放3.0 V；溫度控制：當(dāng)電池溫度達(dá)到60℃時，切斷電池充放電電路；充電器檢測：連接充電器后，充電指示燈亮（指示燈閃爍為充電狀態(tài)，常亮為充電完畢狀態(tài)）。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 電源模塊

電源模塊（如圖3所示）將電池管理模塊提供的4.2 V電壓分別轉(zhuǎn)換為傳感器、處理器以及顯示電路使用的+5、+12、+3.3V電壓和1mA恒流源。

2.3 模擬信號采集模塊

模擬信號采集模塊（如圖4所示）的功能是采樣氧氣壓力、大氣壓力、氧氣流量、氧氣體積分?jǐn)?shù)、環(huán)境溫度等模擬信號，并進(jìn)行放大、濾波等處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。

2.3.1 壓力單元

選用固態(tài)擴散硅柵隔離式超穩(wěn)壓力傳感器作為壓力敏感元件，應(yīng)用電子集成芯片及單片機設(shè)計出高集成度和高可靠性的電子電路，編設(shè)傳感器溫度補償及整套控制演算程序，保證檢測數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性。

圖2 電池管理模塊

圖3 電源模塊

圖4 模擬信號采集模塊

2.3.2 流量單元

擬選用標(biāo)準(zhǔn)孔板壓差式流量測量結(jié)構(gòu)，其工作原理都是基于封閉管道中流體質(zhì)量守恒（連續(xù)性方程）和能量守恒（伯努利方程）2個定律。該單元結(jié)構(gòu)緊湊，技術(shù)成熟。

2.3.3 氧濃度單元

選用紅外氧濃度傳感器作為氧氣體積分?jǐn)?shù)檢測敏感元件。該種氧濃度傳感器利用氧元素對特定波長的吸收原理，通過紅外發(fā)生器產(chǎn)生紅外光，穿過充有樣氣的氣室，然后被專用接收器接收。該單元具有抗中毒性好、反應(yīng)靈敏、使用壽命長等特點，可以延長設(shè)備使用周期、維護(hù)周期，降低維護(hù)費用。

2.4 數(shù)據(jù)處理與人機交互模塊

數(shù)據(jù)處理與人機交互模塊（如圖5所示）包括處理器、顯示器和鍵盤3個部分。

圖5 數(shù)據(jù)處理與人機交互模塊

2.4.1 處理器

采用Philips公司ARM-Cortex-M3處理器LPC1752，運行頻率為100MHz，承擔(dān)數(shù)據(jù)采集功能，提供數(shù)據(jù)原算處理和顯示器、鍵盤的控制。

2.4.2 顯示器

采用128×64的點陣液晶顯示屏，正常顯示內(nèi)容如圖6所示，其中，第一行分別為當(dāng)前環(huán)境溫度值、當(dāng)前大氣壓、當(dāng)前電池電量，第二行為氧氣體積分?jǐn)?shù)測量值，第三行為氧氣流量測量值，第四行為氧氣壓力測量值。

圖6 顯示屏

2.4.3 面板與鍵盤

面板與鍵盤如圖7所示，面板擬用內(nèi)襯鋁合金板，外貼合成PVC整體面膜。該面板具有溫度特性好、防水、耐腐、質(zhì)輕、堅韌耐用、外表美觀、成本低廉的優(yōu)點。按鍵采用輕觸開關(guān)，手感清晰、富有人性化，可輕松實現(xiàn)各項檢測功能的選擇與切換。

圖7 面板與鍵盤

按鍵部分包括POWER 鍵、UP鍵、DOWN 鍵、MOVE 鍵 、ENT 鍵 、ESC鍵，各鍵功能如下：（1）POWER鍵：打開儀器電源。（2）UP鍵：切換屏幕顯示內(nèi)容到上一屏。校準(zhǔn)時，用于選擇修改項目或修改值。（3）DOWN鍵：切換屏幕顯示內(nèi)容到下一屏。校準(zhǔn)時，用于選擇修改項目或修改值。（4）MOVE鍵：氧氣壓力和氧氣流量清零。校準(zhǔn)時，用于選擇要修改數(shù)據(jù)的數(shù)位。（5）ENT鍵：關(guān)斷儀器電源。校準(zhǔn)時，用于確認(rèn)當(dāng)前修改值，使其生效。（6）ESC鍵：手動刷新當(dāng)前顯示內(nèi)容（用于屏幕顯示亂碼時使用）。校準(zhǔn)時，用于退出校準(zhǔn)狀態(tài)，返回儀器正常顯示界面。

2.5 應(yīng)用程序

采用C語言編寫，語法簡潔，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，邏輯性強，易于軟件升級。測量參數(shù)可現(xiàn)場存儲、按索引調(diào)用，也可通過接口實時傳輸至上位機或通過接口輸出打印。各項參數(shù)的測量精度校準(zhǔn)在本機上通過面板直接設(shè)定，功能多、操作簡單。

2.6 外形

為方便攜帶和檢測工作的展開，檢測儀采用小型化設(shè)計，整機外形尺寸在滿足各項技術(shù)要求和指標(biāo)的前提下盡可能縮小，爭取將整體體積控制在220mm×140mm×60mm 以內(nèi)，質(zhì)量控制在 1.4 kg（不含外置電源模塊）以內(nèi)，如圖8所示。

圖8 外觀尺寸

2.7 附加功能的遴選

附加功能包括電源實時監(jiān)測、環(huán)境地理狀況（溫度、濕度、大氣壓力、海拔高度等）、日期、時間等。

3 關(guān)鍵器件選型

3.1 壓力傳感器

選用MPM280-09DL，2.0mA恒流供電，非線性度為0.25%F.S，重復(fù)性為0.075%F.S，長期穩(wěn)定性為0.3%F.S/a，響應(yīng)時間小于1ms，測量范圍為0～1.6MPa，允許過壓 3.5MPa，殼體材料為 316L 鋼，耐腐蝕性、耐潮濕性較強。

3.2 氣體流量與氧濃度傳感器

采用USM100-超聲波傳感器，與傳統(tǒng)的電化學(xué)氧傳感器和氧化鋯氧傳感器相比，具有精度高（1%）、響應(yīng)速度快、壽命長等諸多優(yōu)點。流量測量范圍：0～10 L/min，流量測量精度：2%F.S；氧氣體積分?jǐn)?shù)測量范圍：0%～100%，氧氣體積分?jǐn)?shù)測量精度：±1%F.S。

3.3 大氣壓力傳感器

采用MPM180-07GL，2.0mA恒流供電，非線性度為0.25%F.S，重復(fù)性為0.075%F.S，長期穩(wěn)定性為0.2%F.S/a，響應(yīng)時間小于1ms，測量范圍為50～106 kPa，允許過壓 350 kPa。

3.4 控制-運算單元

采用美國Silicon公司的C8051F350為微控制單元（micro control unit，MCU），具有與高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，內(nèi)置8路24位ADC（包括可編程濾波器和可編程增益放大器）、8 KB片內(nèi)Flash存儲器。

C8051F單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片（SoC），具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件；內(nèi)置Flash程序存儲器、內(nèi)部RAM，大部分器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲器空間的RAM，即XRAM。C8051F單片機具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過4腳的JTAG接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。其包含一個24位Δ-Σ的ADC子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)支持高達(dá)8個輸入通道，可編程增益最大達(dá)128倍。另外，還包含2個獨立的8位DAC。

憑借其片上VDD監(jiān)視器、WDT以及時鐘振蕩器，使得該系列單片機成為真正獨立的系統(tǒng)級芯片的解決方案。所有模擬和數(shù)字外設(shè)都可以由用戶固件啟用/禁用和配置。Flash存儲器可以在線編程，提供非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許8051固件的現(xiàn)場升級?？梢酝ㄟ^用戶軟件完全控制所有外設(shè)，并可單獨關(guān)閉任何或所有外設(shè)，以節(jié)約功耗。片上Silicon Labs兩線開發(fā)接口（C2口）允許使用安裝在最終產(chǎn)品上的單片機進(jìn)行非侵入（不占用片上資源）、全速度、在線調(diào)試，該調(diào)試邏輯支持檢查和修改存儲器與寄存器、設(shè)置斷點和觀察點、單步、運行和停止命令。在使用C2進(jìn)行調(diào)試時，所有模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能工作。2個C2接口引腳可以與用戶功能共享，允許在系統(tǒng)調(diào)試而不占用引腳資源。C8051F50是一款高集成度的混合信號片上系統(tǒng)型單片機，它集成了PGA、ADC、DAC等豐富的片上資源，而且具有低功耗、高分辨率、小封裝、高性價比等優(yōu)點，只需要簡單的外圍器件就可以構(gòu)成一個多路模擬小信號測量系統(tǒng)，非常適用于測量儀表。

3.5 主控MCU

采用Philips公司ARM-Cortex-M3處理器LPC1752，可以在100MHz的頻率下運行，并包含支持8個區(qū)的存儲器保護(hù)單元（MPU）、512KB的Flash存儲器、64 KB的數(shù)據(jù)存儲器、以太網(wǎng)MAC、USB主機/從機/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4個UART、2條 CAN 通道、2個 SSP控制器、SPI接口、3個I2C接口、2-輸入和2-輸出的I2S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、電動機控制PWM、正交編碼器接口、4個通用定時器、6-輸出的通用PWM、帶獨立電池供電的超低功耗RTC和70個通用I/O管腳。

4 應(yīng)用效果

4.1 實用性

該儀器作為小型制氧機的專用綜合檢測設(shè)備，可以檢測制氧機的關(guān)鍵功能及指標(biāo)，從而判斷出小型制氧機的狀態(tài)和性能，保障進(jìn)而提高部隊后勤設(shè)備的完好率與勤務(wù)能力。

經(jīng)高原駐地8家單位實地試用，普遍反映該機操作簡單、使用方便、數(shù)據(jù)可靠，對準(zhǔn)確判斷小型制氧機的應(yīng)用質(zhì)量確有實用價值。在2013年西藏高原部隊小型制氧機檢測專項實驗中，該儀器從被測132臺設(shè)備中，成功篩選出隱性故障和運行質(zhì)量不良（待修）設(shè)備34臺，有效防止了設(shè)備帶故障運行，提高了高原小型制氧機的運行質(zhì)量。

4.2 可溯源性

該儀器的各項測量參數(shù)皆可通過國家（軍隊）法定三級計量機構(gòu)和二級計量機構(gòu)溯源至相關(guān)國家基準(zhǔn)。經(jīng)軍區(qū)計量站模擬檢定（檢測），檢定/校準(zhǔn)方法簡單方便，數(shù)據(jù)真實可靠，檢定結(jié)論有效。

4.3 可靠性

經(jīng)軍區(qū)計量站進(jìn)行的“重復(fù)性”、“穩(wěn)定性”實驗，統(tǒng)計計算數(shù)據(jù)顯示：（1）氧氣體積分?jǐn)?shù)重復(fù)性擴展不確定度U≤0.48%，穩(wěn)定性擴展不確定度U≤0.81%。（2）輸出壓力重復(fù)性擴展不確定度U≤0.54%，穩(wěn)定性擴展不確定度U≤0.76%。（3）輸出流量重復(fù)性擴展不確定度U≤3.44%，穩(wěn)定性擴展不確定度U≤3.67%。

5 結(jié)論

實驗及數(shù)據(jù)表明，該儀器的技術(shù)指標(biāo)和性能達(dá)到項目預(yù)期的設(shè)想，解決了多年存在的高原現(xiàn)場檢測不便的困難，提高了檢測效率，間接提升了高原小型制氧機的應(yīng)用質(zhì)量，對提高高原用氧質(zhì)量有積極意義。從檢測（校準(zhǔn)）數(shù)據(jù)分析可以認(rèn)為，該儀器基本符合作為應(yīng)用質(zhì)量控制檢測標(biāo)準(zhǔn)裝置的使用要求。

[1] 盧萬鎖，盧樟好，趙開利.FY-120型小型制氧機的研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備， 1999，20（2）：5-7.

[2] 郭良，荀魯川.ROOMATE-Ⅲ小型制氧機特殊故障一例[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2002，23（5）：70.

[3] 陳剛.PSA制氧機常見故障處理及管理體會[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2007，28（6）：82-83.

[4] 石梅生，趙開利，陳德瑞.高原高效醫(yī)用制氧機的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31（8）：24-26.

[5] 郭良，何湘，代麗.MARK-5小型制氧機的原理及維護(hù)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備， 2012，33（4）：134-135.