基于STM32无线温度验证仪系统的设计

0   引言

长期以来，国内很多医疗机构采用国外进口的医疗设施，不仅价格昂贵，且后期的保养维护也较为麻烦，还不能根据国内医疗机构的实际情况尽快做出修改和改进，无法满足国内快速增长的需要。

无线温度验证仪就是一个例子，无线温度验证仪系统主要应用于医疗产品设施的杀毒灭菌等消毒柜领域的温度检测，以及密封设备等实时温度检测的再现，无线温度验证仪能应用于湿热灭菌、湿热消毒、干热灭菌等热力灭菌领域，在医疗卫生、工业生产种也大量广泛使用，可以提高医疗设备的监管水平，并能及时和医疗机构进行沟通改进，满足国内实际情况的需要。系统的各项技术指标已经达到国外产品要求或者已经超过国外产品的性能，价格却比国外的低很多，并且已经开始在国内医疗机构得到应用和推广。

1   系统结构及原理

系统QT5100是一种离线数据记录装置的无线温度验证仪系统。在记录数据之前进行记录方案编制，之后脱离系统控制，按已经下载的方案信息进行数据记录，数据记录结束后，上传数据并分析处理，生成数据报告。本系统由三部分组成：上位机软件、无线读数台、无线数据记录器（探头）。其中上位机软件为人机界面，用于编制方案、上传数据、分析数据、生成报告等。无线读数台为中间转发机构，负责记录器与上位机之间的通讯转发。数据记录器（探头）为执行数据记录方案的最终单位，按照编制的方案离线进行数据记录。

无线验证仪唤醒模式为中断触发，探头连接后自动进行电源复位并唤醒，QT5100无线读数台为USB连接线在线供电，增加探头在线状态监测功能，通过模拟开关进行通道选择和扩展，模拟串口通讯为硬件串口，并提高通讯波特率进而提高整体通讯速度。

单总线为普通串口通过特定电路转化为单线连接的一种半双工通讯方式，物理连接发生改变而通讯接口与串口相同。该系统的通讯就是利用单总线的方式。本系统的单总线结构内部设置多个电容供电电路。当单总线处于工作状态时，来自无线读数台的高电平保持单总线上的高电平，一方面会通过二极管向单片机及芯片供电，另一方面也会对内部电容充电；当无线读数台传输数据处于低电平时，单总线保持低电平会使二极管截止，无法给单片机及芯片供电，这时内部电容就会向单片机及芯片供电。但是由于电容的容量有限，因此要求单总线能间隔地提供高电平，以不断地向内部电容充电、维持器件的正常工作。当单总线无法满足系统正常工作时，无线数据记录器（探头）内部电池会提供足够的电压维持系统正常工作，系统也主要是依靠电池来保证系统正常工作的，单总线一方面读取无线数据记录器数据，另一方面还能间隔给电容充电，能减少无线数据记录器电池的耗电，能增加系统正常工作时间。

2   无线读数台

无线读数台为中间转发机构，负责记录器与上位机之间的通讯转发，系统主控制芯片采用STM32单片机，该单片机相应的外围电路及程序也都成熟，对于单片机最小电路设计和程序调试来说也信手拈来，且该芯片是高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计，满足系统可靠和稳定运行的能力也游刃有余。表1是无线读数台基本功能简介。

无线读数台主要原理是利用PMOS管FDV302P的导通功能，将来自无线数据记录器（探头）单总线的高低电平数据通过LM311电压比较器的比较来实现数据和STM32单片机的交互，完成数据的读取。然后无线读数台利用USB的FT232电路将数据上传给上位机，上位机将数据分析处理。无线读数台部分原理图如图1所示。

图1 无线读数台原理图

3   无线数据记录器

无线数据记录器（探头）为执行数据记录方案的最终单位，按照编制的方案离线进行数据记录。无线数据记录器也是基于STM32单片机设计的，其中包括单片机STM32及模拟转换器AD7798BRUZ、温度传感器PT1000、电源电池处理电路及单总线结构等。无线数据记录器主要利用温度传感器PT1000将高温采集到的温度数据经AD7798BRUZ模数转换存储在电路中，只有等来自上位机的应答信号经无线读数台才能将采集到的数据重现和分析。考虑到省电和工作时长要求，平时无线数据记录器的STM32外围电路处于休眠模式，只有温度传感器及采集转换电路处于工作状态。要想读取无线数据记录器里面的数据应该先唤醒它，图2是无线数据记录器（探头）唤醒示意图。

图2 探头唤醒示意图

4   上位机软件

4.1 上位机界面

上位机界面是通过USB与无线读数台连接，上位机软件为人机界面，用于编制方案、上传数据、分析数据、生成报告等。除此之外，上位机还可以进行用户信息的维护、用户增加、密码修改等操作，用来保护数据的隐私，不会泄露；将数据导出PDF报表进行打印或保存等；还可以查看之前保存记录，进行对比分析等功能；另外可以将数据库进行修改升级等满足各种客户的需求。图3是上位机界面工作示意图。

图3 上位机界面示意图

4.2 通讯协议

1)物理接口

通信口采用专用单总线接口，上位机等效为串口。信息传输方式为异步方式，起始位1位，数据位8位，停止位1位，无校验位。数据传输速率为57.6 kbit/s。

2)外部接口

上位机与无线读数台、无线数据记录器（探头）之间的通信采用主从方式，上位机呼叫无线读数台和探头并下发命令，无线读数台和探头收到命令后返回相应信息。若上位机在100 ms内收不到响应信息或接收响应信息错误，则认为本次通信过程失败。

3)通讯功能简述

通讯功能如表2所示。

4.3系统异常处理

读数台运行过程中接收到数据有LED进行提示，校验通过或产生错误也通过LED进行指示。探头通过上电瞬间发送WakeUP信号，方便后续故障排查和维护。为了系统维护的方便 ，通过与上位机轮询应答保证在线状态，并对读数台进行总线电压检测和温度监测并上传。

5   结语

无线温度验证仪系统是一种简单高效的高温湿热灭菌检测系统，通过无线数据记录器（探头）的实时测量，最后通过无线读数台将测量数据读取出来，并通过上位机软件导入数据库进行分析、对比以及保存，还可以查询以及完成数据列表、生成验证报告等功能。将高温湿热灭菌的效果通过数据重现，对于确保持续稳定的灭菌效果给予保证，目前该技术已经通过本公司自己的努力，逐渐克服了系统的技术难点，而且还将功能得到来进一步提升，能根据医疗机构的需求，将上位机系统进行各种改进及升级，满足各医疗机构独特的要求。将系统的应用广泛性和技术指标提高到一个新的水平，并有良好的市场。

但是，该系统仍然受到个别技术问题的困扰，例如无线数据记录器（探头）依靠电池供电，内部结构比较狭窄，所采用电池电量就相应较小，虽然探头内部也采用了休眠系统减少耗电，时间长了难免电池还会耗尽，必须回厂更换新的电池。相信随着技术水平的提高，会有更好性能电池研究出来，以减少回厂保养的频率，另外也会考虑更换一种可充电电池，通过单总线结构既能采集数据，还能给探头内部电池间断充电。将来，会努力解决不足，以进一步改善系统的可靠性和应用持久性。

参考文献：

[1] 王晓丹,李强光,等.无线温度验证仪测量装置不确定度分析[J].工业计量，2018(5).

[2] 王中,房芳琦.浅析热力灭菌设备的温度验证[J].化工管理,2014(11).

[ 3 ] 陈雄.纯蒸汽真空脉动灭菌柜湿热灭菌验证[J].科技视界,2018(12).

[4] 吴健,王颖,等.国产无线温度验证仪的质量提升方案及探讨[J].中国卫生监督,2018(1).

[5] 张洁.《医疗器械湿热灭菌产品族和过程类别》解读[J].中国消毒学,2017(2).

[6] 沈红卫,等.STM32单片机应用与全案例实践[M].北京:电子工业出版社,2017.

[7] 侯晓雨.在GMP系统中热力灭菌设备的验证[D].长春:吉林大学,2018.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2020年9月期）