呼吸模拟系统及控制方法与流程

本发明涉及一种呼吸模拟系统，尤其涉及一种基于嵌入式控制板的呼吸模拟系统及控制方法。

背景技术：

在机载分子筛氧气系统开发和试验中，呼吸模拟系统(也称为呼吸模拟器)是一种专门用于模拟呼吸的设备，为了达到足够真实的飞行员呼吸模拟效果，呼吸模拟系统应该尽量满足以下要求：

1、需要在特定呼吸频次(0～60次/min)、潮气量(0～1.5l)、肺通气量(0～60l/min)和呼吸峰值等需求下的呼吸模拟功能，并能实现任意呼吸曲线(s型、t型、三角型等曲线)的编辑和验证；

2、在模拟呼吸试验过程中，系统需实时采集呼吸回路气体流量和面部口腔呼吸时的压力，将呼吸气体流量和压力数据生成曲线能够分析呼吸特性的曲线供试验分析用；

3、呼吸模拟系统需具备同步接口，通过同步接口可实现模拟多人同时呼吸功能，以更好的验证机载分子筛氧气系统耗氧量及氧调等特性；

4、在试验验证时，需要呼吸模拟系统的头模与氧气面罩紧密结合，不得漏气，较真实的模拟飞行员的呼吸特征。

目前市面上用户模拟呼吸的产品主要是面向医学教学领域设计，其功能指标和组成结构等方面较为单一，无法满足机载分子筛氧气系统开发和试验的上述大部分要求。

传统呼吸模拟系统通常基于pc机结构实现运动控制，即基于工控机+运动控制卡的组合方式，设备无法实现便携式、小型化和低功耗要求；另外工控机通常基于windows操作系统，在进行呼吸模拟器实现过程中，首先运动控制采用位置精确控制(控制精度在微米级)，同时需要采集的是呼吸管路的气体瞬时流量(其反应速度在2ms)，基于控制位置精度和时间精度上，windows操作系统下的软件是无法达到精确控制和实时控制。

另外，在飞机飞行员高空生命安全的分子筛氧气系统氧气面罩及制氧机试验过程中，不但需要模拟单个机组人员呼吸时的呼吸特性，而且需要模拟多个机组人员同时呼吸时的瞬时供气流量和压力等，这就需要采用实时同步的方式模拟多个人员同时呼吸功能特性；而传统呼吸模拟系统只能模拟单人呼吸特征，无法满足模拟多人同时呼吸要求。

而且，传统呼吸模拟系统的头模大多采用光敏树脂材料加工制作，硬度高达90以上，无法与较真实的接近人脸皮肤，使飞行员氧气面罩佩戴时贴合不紧而漏气。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于数字化运动控制原理和微机电一体化的呼吸模拟系统及控制方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种呼吸模拟系统，包括头模和佩戴在所述头模上的呼吸面罩，还包括电源单元、主控板、触摸屏、运动控制板、驱动器、伺服电机、高速滑台、低摩擦气缸、零位开关、流量传感器、第一压力传感器和差压传感器，所述电源单元为所述主控板、所述触摸屏、所述运动控制板和所述驱动器供电，所述主控板设有用于与外部控制设备连接的同步信号接口，所述主控板分别与所述触摸屏和所述运动控制板通信连接，所述运动控制板的控制输出端与所述驱动器的控制输入端连接，所述驱动器的输出端与所述伺服电机的输入端连接，所述伺服电机的动力输出端与所述高速滑台的动力输入端连接，所述高速滑台的滑块通过连杆与所述低摩擦气缸的活塞杆连接，所述低摩擦气缸的气嘴通过气管与所述呼吸面罩连接，所述零位开关安装于所述高速滑台的末端附近并用于检测所述滑块是否处于零位，所述流量传感器安装于所述低摩擦气缸与所述呼吸面罩之间的气管上，所述第一压力传感器和所述差压传感器分别安装于所述呼吸面罩的接口处并分别用于检测所述呼吸面罩内的口腔气压和呼吸压差，所述零位开关的信号输出端与所述运动控制板的信号输入端连接，所述流量传感器的信号输出端、所述第一压力传感器的信号输出端和所述差压传感器的信号输出端分别与所述主控板的信号输入端连接。

进一步，为了提高运行安全性，所述呼吸模拟系统还包括第一限位开关和第二限位开关，所述第一限位开关和所述第二限位开关分别安装于所述低摩擦气缸的两端并用于检测所述低摩擦气缸的活塞杆运动极限位置，所述第一限位开关的信号输出端和所述第二限位开关的信号输出端分别与所述运动控制板的信号输入端连接。

作为优选，为了利用低摩擦气缸的活塞杆内的磁环作为检测目标，所述第一限位开关和所述第二限位开关均为磁性开关。

进一步，为了在必要时实现紧急关机，所述呼吸模拟系统还包括急停开关，所述急停开关串联连接于所述驱动器的电源输入端。

进一步，为了在气管堵塞时能够自动及时排气以保护低摩擦气缸，所述呼吸模拟系统还包括四通接头、第二压力传感器和电磁阀，所述四通接头安装于所述低摩擦气缸与所述呼吸面罩之间的气管上，所述第二压力传感器和所述电磁阀分别安装于所述四通接头的另外两个分支管上，所述第二压力传感器的信号输出端分别与所述主控板的信号输入端连接，所述电磁阀的控制输入端与所述主控板的控制输出端连接。

具体地，所述电源单元包括滤波器和ac-dc电源电路，所述滤波器的输入端与交流电源连接，所述滤波器的输出端分别与所述ac-dc电源电路的输入端和所述驱动器的电源输入端连接，所述ac-dc电源电路的输出端分别与所述主控板、所述触摸屏和所述运动控制板的电源输入端连接。

作为优选，为了实现头模与呼吸面罩之间紧密贴合以防止漏气，所述头模上用于与所述呼吸面罩接触的位置表面设有硅胶层。

一种呼吸模拟系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、通过触摸屏和主控板设定包括但不限于以下参数：呼吸频次、呼吸潮气量、肺通量，设定包括但不限于以下呼吸工作状态：正常呼吸、深呼吸、急促呼吸，设定呼吸速度曲线即模拟呼吸运动的速度曲线；所述呼吸潮气量即单次呼吸的气体总量；

步骤2、当模拟不同人的呼吸时，通过触摸屏选择不同的呼吸频次、呼吸潮气量和肺通量，主控板依据呼吸速度曲线计算好低摩擦气缸的活塞杆运行距离，根据运行距离计算出伺服电机运行的时间并通过运动控制板向伺服电机发送pwm脉冲数信号，主控板根据呼或吸的状态确定伺服电机的旋转方向并以此通过运动控制板控制伺服电机，实现呼吸模拟；

所述步骤2中，设当前速度为v1，下一刻速度为v2，运动微距离为l，则加速度acc的计算公式为：

acc＝(v2²-v1²)/2l

主控板将v1、v2、acc、l的实时数据传输给运动控制板，并设置运动控制板的输出使能状态，实现伺服电机的运动控制，从而实现呼吸模拟。

本发明的有益效果在于：

本发明基于数字化运动控制和微机电一体化控制原理，通过实时采集呼吸面罩内的口腔气压和呼吸压差等数据，能够设定呼吸速度曲线并由触摸屏、主控板和运动控制板共同实现参数预设、数据计算、精确控制，并通过伺服电机、高速滑台和低摩擦气缸精确产生呼吸所需气体，最终由佩戴在头模上的呼吸面罩实现在不同状态下的真实模拟呼吸效果，并能够实时监测瞬时呼吸气量和累积呼吸气量，而且在多个系统联网后，主机可以同步控制从机按照相同的呼吸频率、潮气量模拟呼吸，这样可达到模拟多人同时呼吸的功能，可验证多人同时呼吸时的峰值气量，以更好的验证机载分子筛氧气系统耗氧量及氧调等特性，尤其适合模拟飞行员人体在不同身体状态下呼吸特征，用于测试和验证分子筛氧气系统功能和性能的符合性；本呼吸模拟系统可集成于一体设备上，体积较小、便于携带，方便使用和推广；本发明的控制方法，以设定呼吸速度曲线并根据呼吸速度曲线计算精确控制信号为核心，能够实现足够真实的人体呼吸模拟，反应不同身体状态下的真实呼吸过程。

附图说明

图1是本发明所述呼吸模拟系统的整体方框结构示意图；

图2是本发明所述呼吸模拟系统的主控板及直接连接部件的方框结构示意图；

图3是本发明所述呼吸模拟系统的运动控制板及直接连接部件的方框结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述呼吸模拟系统包括头模(图中未示)和佩戴在所述头模上的呼吸面罩，还包括电源单元、主控板、触摸屏、运动控制板、驱动器、伺服电机、高速滑台、低摩擦气缸、零位开关、流量传感器、第一压力传感器、差压传感器、第一限位开关、第二限位开关、急停开关、四通接头、第二压力传感器和电磁阀，所述头模上用于与所述呼吸面罩接触的位置表面设有硅胶层，也可以整个头模表面均设置硅胶层，所述电源单元包括滤波器和ac-dc电源电路，所述滤波器的输入端与交流电源即220ac电源连接，所述滤波器的输出端分别与所述ac-dc电源电路的输入端和所述驱动器的电源输入端连接，所述ac-dc电源电路的输出端分别与所述主控板、所述触摸屏和所述运动控制板的电源输入端连接，所述滤波器的输出端与所述驱动器的电源输入端之间串联连接有所述急停开关，所述主控板设有用于与外部控制设备连接的同步信号接口，所述主控板分别与所述触摸屏和所述运动控制板通信连接，所述运动控制板的控制输出端与所述驱动器的控制输入端连接，所述驱动器的输出端与所述伺服电机的输入端连接，所述伺服电机的动力输出端与所述高速滑台的动力输入端连接，所述高速滑台的滑块通过连杆与所述低摩擦气缸的活塞杆连接，所述低摩擦气缸的气嘴通过气管与所述呼吸面罩连接，所述零位开关安装于所述高速滑台的末端附近并用于检测所述滑块是否处于零位，所述第一限位开关和所述第二限位开关分别安装于所述低摩擦气缸的两端并用于检测所述低摩擦气缸的活塞杆运动极限位置，所述第一限位开关和所述第二限位开关均为磁性开关，所述四通接头和所述流量传感器依次安装于所述低摩擦气缸与所述呼吸面罩之间的气管上，所述第二压力传感器和所述电磁阀分别安装于所述四通接头的另外两个分支管上，所述第一压力传感器和所述差压传感器分别安装于所述呼吸面罩的接口处并分别用于检测所述呼吸面罩内的口腔气压和呼吸压差，所述零位开关的信号输出端、所述第一限位开关的信号输出端和所述第二限位开关的信号输出端分别与所述运动控制板的信号输入端连接，所述流量传感器的信号输出端、所述第一压力传感器的信号输出端、所述第二压力传感器的信号输出端和所述差压传感器的信号输出端分别与所述主控板的信号输入端连接，所述电磁阀的控制输入端与所述主控板的控制输出端连接。

为了实现高精度控制，上述各器件具体选择如下：

如图2所示，主控板采用nxparmcortex-a9微处理器，该处理器为4核，搭载1gddr3和8gbemmcrom，处理器支持嵌入式linux4.1.25，人机交互采用qt5.6开发设计；通过处理器spi总线连接ads8698集成电路扩展8个18位ad采集通道，用于实现呼吸流量、呼吸口腔压力等信号的采集；通过处理器自身的管脚连接uln2003驱动电路控制继电器动作，实现超压后电磁阀的打开排气；通过板载的lcd接口连接7寸触控屏实现人机界面；通过以太网口实现外部同步呼吸模拟；通过rs232总线实现与运控控制板连接。nxparmcortex-a9微处理器是主控板核心元件。在工作时，由操作人员通过触控屏(或通过同步接口)设置呼吸参数，nxparmcortex-a9微处理器根据参数根据呼吸算法生成呼吸曲线数据，在起动呼吸时该数据通过rs232接口下传到运动控制板，运动控制板依据呼吸曲线数据转换成运动轨迹驱动执行机构往复运动。

如图3所示，运动控制板采用stm32f407嵌入式微处理器，运动控制软件及算法采用keiluvision5开发，可下载到stm32f407的flash运行，能达到微秒级的控制时间，很好的满足了系统对实时控制的要求；为了实现更接近人真实呼吸的效果，必须实现伺服电机的s型加减速控制，为此运动部分采用mcx314a运动控制芯片，这是日本nova公司推出的4轴运动控制专用dsp集成电路，能用于步进电机或脉冲型伺服驱动的位置、速度和插补控制，尤其是采用mcx314a插补控制能很好实现伺服电机s型加减速精确控制，mcx314a运动控制芯片产生的信号通过ds26ls31芯片传输给驱动器以实现对伺服电机的控制，同时采用mcx314a集成电路的管脚与高速光耦电路，实现了限位开关和零位开关的接入。运动控制软件固化到嵌入式微处理器的板内flash种，在工作时微处理器通过rs232接收来自主控板的呼吸曲线数据，嵌入式软件根据呼吸曲线数据生成运动速度、运动长度、加速度和加速度等运动数据，由软件实时任务将运动数连续不断的交mcx314a运动控制芯片控制伺服电机运动，低摩擦气缸在伺服电机和高速滑台的带动下如实的执行运动轨迹，可模拟任意呼吸曲线。在运动过程中第一限位开关、第二限位开关和零位开关信号被嵌入式处理器实时采集，根据信号状态完成响应的执行动作或保护动作。

触摸屏用于人机互动，驱动器用于驱动伺服电机，触摸屏、驱动器、零位开关、流量传感器、第一压力传感器、差压传感器、第一限位开关、第二限位开关、急停开关、四通接头、第二压力传感器和电磁阀都采用现有技术的常规元件。

伺服电机要求有较大的带载能力或者负载尽量小，所以选用松下a6系列msmf022l1v1伺服电机。

高速滑台选用smc公司lefs32nyb-100n，其精度为±0.02mm，行程为100mm，丝杆导程为8mm，额定力矩为0.64nm。

低摩擦气缸：缸径160mm，行程100mm，气缸的体积为2l，气缸速度为100mm/s，对应的伺服电机转速为750r/min，采用薄型气缸，以减小重量和体积，活塞杆设计密封圈安装导槽，密封圈采用氟塑橡胶，润滑介质选用食品级的7805润滑脂，在活塞杆上设计磁环，便于外部磁性开关检测活塞杆的左、右限位位置。

如图1所示，本发明所述呼吸模拟系统的基本工作原理如下：

工作人员通过触摸屏与主控板互动，主控板和运动控制板向驱动器发送驱动信号，驱动器驱动伺服电机运行，带动高速滑台的滑块往复运动，从而带动低摩擦气缸的活塞杆往复运动，产生的气体从气嘴送出，通过气管送到呼吸面罩内，通过对气体流量、时间、方向的控制实现真实呼吸的模拟；零位开关、流量传感器、第一压力传感器、差压传感器、第一限位开关、第二限位开关、第二压力传感器将采集的信号发送给主控板或运动控制板，实现实时自动化的高精度控制；急停开关用于在特定情况下紧急停运，确保安全；电磁阀用于在气管堵塞时自动开启排气，避免损坏低摩擦气缸。

结合图1，本发明所述呼吸模拟系统的优选控制方法，包括以下步骤：

步骤1、通过触摸屏和主控板设定包括但不限于以下参数：呼吸频次、呼吸潮气量、肺通量，设定包括但不限于以下呼吸工作状态：正常呼吸、深呼吸、急促呼吸，设定呼吸速度曲线即模拟呼吸运动的速度曲线；所述呼吸潮气量即单次呼吸的气体总量；

步骤2、当模拟不同人的呼吸时，通过触摸屏选择不同的呼吸频次、呼吸潮气量和肺通量，主控板依据呼吸速度曲线计算好低摩擦气缸的活塞杆运行距离，根据运行距离计算出伺服电机运行的时间并通过运动控制板向伺服电机发送pwm脉冲数信号，主控板根据呼或吸的状态确定伺服电机的旋转方向并以此通过运动控制板控制伺服电机，实现呼吸模拟；

所述步骤2中，设当前速度为v1，下一刻速度为v2，速度单位米/秒，运动微距离为l，距离单位为米，则加速度acc的计算公式为：

acc＝(v2²-v1²)/2l

主控板将v1、v2、acc、l的实时数据传输给运动控制板，并设置运动控制板的输出使能状态，实现伺服电机的运动控制，从而实现呼吸模拟。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。