荊 靜 柳 冀

心源性猝死是心血管疾病的主要死亡原因，除顫治療心室顫動(dòng)是提高急救存活率的關(guān)鍵手段，同時(shí)，及時(shí)采取電除顫也是救治心臟驟停的重要決定性因素。除顫器是實(shí)施除顫術(shù)治療的關(guān)鍵設(shè)備，使用前需要檢查除顫器功能是否完好，尤其是電源有無故障、電量是否充足以及各種導(dǎo)線是否完好、有無斷裂和接觸不良，因此設(shè)備應(yīng)始終保持良好性能及充足的電量，在緊急狀態(tài)下快速進(jìn)入工作狀態(tài)[1]。本研究設(shè)計(jì)開發(fā)除顫儀電池檢測系統(tǒng)，探討智能化除顫儀電池檢測方法，為規(guī)范化除顫儀電池管理，進(jìn)而提升工作質(zhì)量和工作效率。

1 除顫儀電池智能檢測系統(tǒng)

1.1 檢測系統(tǒng)需求分析

目前，除顫儀電池智能檢測系統(tǒng)存在著諸如運(yùn)行可靠性差、測量精度不高、操作復(fù)雜、自動(dòng)化程度不高、檢測時(shí)間長、電池測量項(xiàng)目單一以及不適宜大規(guī)模檢測的問題[2]。同時(shí)，由于除顫儀通常采用鋰電池，而鋰電池通常針對充放電電流、電壓檢測的精度及流程有非常嚴(yán)格要求，從而嚴(yán)格地避免過充電、過放電、短路及斷路。加之鋰電池檢測無法運(yùn)用多節(jié)串聯(lián)的方式進(jìn)行，不便于采用自動(dòng)化檢測，增加了電池檢測的操作流程、分析處理等環(huán)節(jié)的復(fù)雜性，因此，需要研制自動(dòng)化鋰電池檢測系統(tǒng)[1，3]。

1.2 鋰電池檢測標(biāo)準(zhǔn)

鋰電池檢測標(biāo)準(zhǔn)主要包括國家標(biāo)準(zhǔn)“原電池第4部分鋰電池的安全要求”GB8897.4-2008及國際鋰電池標(biāo)準(zhǔn)(IEC60086-4：2014、EN60086-4：2015)設(shè)計(jì)。待測電池性能參數(shù)包括外觀及電性能等。

(1)外觀測試。外觀測試主要包括外觀、外形尺寸、質(zhì)量、使用狀況等項(xiàng)目。

(2)電性能測試。需要對電池進(jìn)行的檢測項(xiàng)目包括：充放電電池電壓及電流、額定容量、運(yùn)行溫度等參數(shù)。同時(shí)，能夠?qū)Σ煌瑱z測項(xiàng)目設(shè)置程序控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)操作。

2 除顫儀電池智能檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)檢測流程

在系統(tǒng)檢測流程中，當(dāng)用戶提出測試要求時(shí)，可預(yù)先設(shè)置測試計(jì)劃及參數(shù)，用戶完成設(shè)置并確認(rèn)后，系統(tǒng)發(fā)送控制信號(hào)并設(shè)置數(shù)據(jù)通道，數(shù)據(jù)通道準(zhǔn)備完成后延時(shí)等待數(shù)據(jù)接收，接收到數(shù)據(jù)后核驗(yàn)數(shù)據(jù)格式，確認(rèn)數(shù)據(jù)格式無誤后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中完成數(shù)據(jù)分析并出具測試報(bào)告[2，4](如圖1所示)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

除顫儀電池智能檢測系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、控制電路、信號(hào)預(yù)處理、數(shù)字化、數(shù)據(jù)顯示、掉電保護(hù)電路、通訊電路、電源電路及功能模塊等組成，檢測系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用多個(gè)處理器組合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。選用LPC938結(jié)合AT89S52作為控制器，其中由LPC938實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制及模擬數(shù)字(analog/digital，A/D)轉(zhuǎn)換，采用AT89S52實(shí)現(xiàn)與個(gè)人電腦(personal computer，PC)上位機(jī)及用戶交互。LPC938芯片具有控制器功耗低，采用了高性能處理器架構(gòu)，指令執(zhí)行效率高；AT89S52是一種低功耗、高性能金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metaloxide semiconductor，CMOS)元件8位微控制器，具有8 K系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器[2，5]。片中Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)內(nèi)編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位中央處理器(central processing unit，CPU)和在線可編程Flash。

用戶通過按鍵和顯示電路實(shí)現(xiàn)用戶交互，當(dāng)用戶完成參數(shù)設(shè)置及測試計(jì)劃后，生成控制信號(hào)，通過控制電路實(shí)現(xiàn)功能設(shè)置。LPC938向AT89S52輸出控制命令，由AT89S52實(shí)現(xiàn)具體的檢測功能[1，6]。采用多CPU協(xié)調(diào)完成系統(tǒng)的整體功能，不僅可以提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度，同時(shí)能夠并行實(shí)現(xiàn)檢測功能，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率和可靠性。

(2)控制電路?？刂葡到y(tǒng)由反向電壓保護(hù)器、精密電壓調(diào)節(jié)器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、溫度補(bǔ)償器和互補(bǔ)型集電極開路輸出器等組成，具有無觸點(diǎn)、低功耗、長使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，具有較強(qiáng)的環(huán)境可靠性，高達(dá)400 mA的負(fù)載能力，根據(jù)控制器信號(hào)實(shí)現(xiàn)對不同檢測項(xiàng)目設(shè)置程序控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對采集系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)操作[3，7]。

(3)信號(hào)預(yù)處理。由于檢測信號(hào)微弱，系統(tǒng)采用信號(hào)預(yù)處理提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能及精度，因此，被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之前要進(jìn)行預(yù)處理。信號(hào)預(yù)處理包括信號(hào)放大、數(shù)據(jù)緩沖及信號(hào)濾波等，確保信號(hào)能在有效輸入范圍之內(nèi)[8]。系統(tǒng)中信號(hào)放大采用LM2904芯片實(shí)現(xiàn)，LM2904內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益及內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于研究中電壓范圍較寬的使用場景，電源電流與電源電壓無關(guān)。信號(hào)放大電路采用的電橋構(gòu)成測量電壓，無差壓時(shí)，電橋兩臂平等[9]。差壓信號(hào)加到4個(gè)陶瓷壓敏電阻上，壓敏電阻的阻值隨差壓而變化，引起電橋失衡。電橋失衡引起電流的變化，通過運(yùn)放LM2904進(jìn)行電流的放大在后面接ADC0834模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再傳輸至CPU進(jìn)行處理[3，9-10]。

(4)數(shù)字化。系統(tǒng)通過A/D轉(zhuǎn)換器可將模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化，之后通過數(shù)據(jù)通道將數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中的AT89S52處理器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理及保存。系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器采用的是DAC0832芯片，該芯片具有I2C總線接口的單電源供電，8位低功耗CMOS數(shù)據(jù)采集，轉(zhuǎn)換結(jié)果為一對差動(dòng)電流輸出，具有轉(zhuǎn)換時(shí)間短、效率高的優(yōu)點(diǎn)[6，11-12]。A/D轉(zhuǎn)換器采用發(fā)送一個(gè)有效讀模式地址到DAC0832之后，A/D轉(zhuǎn)換器在應(yīng)答時(shí)鐘脈沖后沿被觸發(fā)后發(fā)送控制字節(jié)，選擇相應(yīng)通道，進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取循環(huán)，接收目標(biāo)通道的數(shù)據(jù)。

(5)數(shù)據(jù)顯示。數(shù)據(jù)顯示采用LCD1602液晶顯示，可用于顯示開路電壓值和短路電流值，還可以顯示電池電量等信息[13]。系統(tǒng)開發(fā)流程包括：①定義LCD1602管腳；②顯示初始化，初始化及設(shè)置顯示方式、延時(shí)、清理顯示緩存以及設(shè)置顯示模式等操作；③設(shè)置顯示地址；④顯示數(shù)據(jù)。

(6)掉電保護(hù)電路。系統(tǒng)利用24C08斷電以后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不消失的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)裝置。采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)器，隨機(jī)關(guān)斷電源后，通電以后可隨計(jì)時(shí)器狀態(tài)繼續(xù)計(jì)時(shí)[14]。

(7)通訊電路。通過RS485接口Modbus協(xié)議同單片機(jī)進(jìn)行通訊，該接口具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率高以及共模干擾低的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)RS232的不足，滿足單片機(jī)系統(tǒng)與PC端數(shù)據(jù)傳輸要求[15]。系統(tǒng)采用AT89S52串行接口，結(jié)合SN75176總線驅(qū)動(dòng)器組成通訊接口[2，16]。

(8)電源電路。系統(tǒng)檢測電路與控制系統(tǒng)分別開發(fā)實(shí)現(xiàn)，需采用獨(dú)立的電源來供電。系統(tǒng)采用R1244N001B作為DC/DC轉(zhuǎn)換芯片。該芯片基于CMOS設(shè)計(jì)，可提供最高1.2 A及30 V輸出電源，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求[9，17]。

(9)功能模塊。功能模塊由傳感器采集電路和信號(hào)預(yù)處理電路組成。功能電路采用電橋構(gòu)成采集電路，當(dāng)存在壓差時(shí)，差壓信號(hào)加載到測量傳感器上，傳感器輸出隨之變化，引起電橋失衡[9，18]。電橋失衡引起的信號(hào)變化經(jīng)運(yùn)放LM2904放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最后傳入AT89S52并進(jìn)行存儲(chǔ)或顯示等，最后將數(shù)據(jù)通過通訊串口送至上位機(jī)分析。

2.3 系統(tǒng)測試

(1)外觀測試。外觀測試主要由測試者根據(jù)肉眼判斷電池是否存在漏液、脹氣、腐蝕、膠漬、污漬、生銹、焊接破損、毛刺、缺口、鼓包等狀況[3，19]。

(2)充電檢測。過充電檢測是模擬當(dāng)充電電壓檢測出現(xiàn)錯(cuò)誤，充電過程出現(xiàn)故障或充電電壓出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，電池可能出現(xiàn)的安全隱患。系統(tǒng)采用IEC62133：2012標(biāo)準(zhǔn)中過充電測試設(shè)計(jì)，提供標(biāo)準(zhǔn)220 V交流電對完全放電后的待測鋰電池進(jìn)行充電，在標(biāo)定充電時(shí)間內(nèi)記錄充電電流及充電電壓，考察電池放電過程的電特性[4-5]。

(3)放電檢測。系統(tǒng)在放電過程可定時(shí)采集放電參數(shù)，通過構(gòu)建閉環(huán)調(diào)節(jié)負(fù)反饋測量電路，獲取放電電流及電壓信號(hào)，經(jīng)三運(yùn)放放大電路放大轉(zhuǎn)換后傳遞至PC端數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析(如圖3所示)。

圖3 放電檢測電路示圖

(4)溫度測量。系統(tǒng)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器讀取當(dāng)前環(huán)境溫度，具有線路簡單、體積小的優(yōu)點(diǎn)?？稍?55～+125 ℃之間實(shí)現(xiàn)12位精度數(shù)據(jù)測量[7，20]。

(5)內(nèi)阻測量。電池的內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻是由電池自身決定，與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、裝配等有關(guān)；極化內(nèi)阻與電池充放電過程相關(guān)，當(dāng)電流通過電極時(shí)，電極電勢偏離平衡電極電勢出現(xiàn)電極極化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電池正負(fù)極在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)極化形成內(nèi)阻。系統(tǒng)采用交流壓降內(nèi)阻測量法，即測量時(shí)將電池等效為有源電阻，因此給電池施加220 V工頻交流電，然后對其電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過整流、濾波[6]等一系列處理后通過運(yùn)放電路計(jì)算出該電池的內(nèi)阻值。交流壓降內(nèi)阻測量法的電池測量時(shí)間通?？杀３衷?00 ms，通過控制電路可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量，便于連續(xù)觀察。

(6)容量測量。電池容量是電池性能的重要性能指標(biāo)之一，表示在一定條件下(放電率、溫度、終止電壓等)電池放出的電量，即電池的容量，通常以安時(shí)為單位，用A.h表示[16]。在電池放電測試過程中，電池容量計(jì)算為公式1：

式中C為電器元件電容量；I為放電電流；t0及t1分別對應(yīng)表示放電起始及放電終止時(shí)間。

2.4 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)作為智能檢測體系中重要的組成，提高了檢測操作的規(guī)范性和數(shù)據(jù)管理的可靠性。系統(tǒng)采用Access 2007構(gòu)建數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該方法具有開發(fā)速度快，采用VBA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯，支持調(diào)用Windows底層API等優(yōu)點(diǎn)。Access數(shù)據(jù)庫本身移植性強(qiáng)，適用于項(xiàng)目開發(fā)要求。

2.5 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能主要包括操作管理和數(shù)據(jù)管理功能。

(1)操作管理。主要包括制訂檢測計(jì)劃、設(shè)備臺(tái)賬管理、電池測試及性能評估。通過設(shè)置量程及待測型號(hào)，針對不同型號(hào)受檢設(shè)備制作包含特定檢測項(xiàng)目及測量范圍的測試設(shè)備模型；在實(shí)際測試工作中，用戶便可通過待測設(shè)備型號(hào)選擇除顫儀模板并快速完成設(shè)置，減少了檢測時(shí)間，提高了工作效率。

(2)數(shù)據(jù)管理。包括設(shè)備及檢測記錄等相關(guān)內(nèi)容的錄入、查詢及圖表展示，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主功能界面如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主功能界面圖

通過受檢設(shè)備信息頁面展示，用戶可通過點(diǎn)擊設(shè)備ID查看該設(shè)備對應(yīng)的檢測記錄，受檢設(shè)備列表如圖5所示。

圖5 受檢設(shè)備列表界面圖

3 除顫儀電池智能檢測系統(tǒng)測試

3.1 系統(tǒng)操作功能

實(shí)際工作中，用戶可通過新建任務(wù)、快捷錄入、記錄列表、制訂檢測計(jì)劃、收錄除顫儀臺(tái)賬、生成檢測報(bào)告及圖表統(tǒng)計(jì)信息等功能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作流程。特別是用戶可通過新建計(jì)劃任務(wù)的方式建立批處理任務(wù)，通過預(yù)先制訂檢測計(jì)劃可實(shí)現(xiàn)檢測的并行化、自動(dòng)化；除顫儀臺(tái)賬能夠快捷建立除顫儀模板，實(shí)現(xiàn)電池快捷錄入，便于用戶新建電池記錄，與此同時(shí)，系統(tǒng)提供的記錄列表及圖表信息能夠輔助用戶實(shí)現(xiàn)記錄查詢。

3.2 電池測試

在性能評估方面，系統(tǒng)可自動(dòng)記錄測試電池周期性充放電電壓及電流信號(hào)，通過MSCOMM組件將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C終端[11]。在PC終端，通過測試頁面顯示測試記錄(如圖6所示)。

圖6 充電電流電壓檢測示圖

3.3 電池分組及性能評估

系統(tǒng)可通過電池的特征參數(shù)值進(jìn)行比較，采用決策樹分類器可將參數(shù)近似的電池分為一個(gè)分組，在特征比較時(shí)，可將電池模板參數(shù)電池作為決策樹分組基準(zhǔn)，然后將待測電池的特征值與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，最終綜合每個(gè)特征參數(shù)值判斷待測電池間的一致性[12-14]。分別采用放電次數(shù)、放電電壓及放電電流測量特征參數(shù)作為決策條件，將測量電池歸為不同組別(如圖7所示)。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)以LPC938結(jié)合AT89S52作為控制器，通過基于霍爾電壓發(fā)生器構(gòu)建的控制電路實(shí)現(xiàn)程序控制，能夠?qū)Σ煌瑱z測項(xiàng)目設(shè)置程序控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)操作[15-17]。同時(shí)，由于檢測信號(hào)較為微弱，系統(tǒng)采用信號(hào)預(yù)處理提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能及精度，因此，通過運(yùn)放LM2904進(jìn)行信號(hào)放大，并采用ADC0834實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再傳輸至CPU進(jìn)行處理[18-19]。PC端采用Access 2007構(gòu)建數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測試計(jì)劃、量程及待測型號(hào)等參數(shù)設(shè)置及電池信息、檢測報(bào)告、除顫儀等查詢功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池測試、報(bào)告生成、性能評估等功能。檢測系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、適用范圍廣泛的特點(diǎn)，并具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，對類似的系統(tǒng)開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

圖7 特征參數(shù)比較決策樹示圖