Page 92 - 《中国医疗器械杂志》2025年第2期

Chinese Journal of Medical Instrumentation 2025 年 第49卷 第2期

设 计 与 制 造

红外 控制电路和三通电磁阀开关电路，三者的电路结构
LDO 5.7 V
光源
DC-DC 6.2 V 相同。气泵和三通电磁阀采用5 V电压供电，使用
电磁阀
LDO 5 V MOS管控制开关。其中，抽气泵采用MCU的PWM
抽气泵
输出功能进行控制，通过改变PWM的占空比调整
LDO 3.3 V LDO 其他数字器件
气泵抽气速率。红外光源采用5.7 V电压供电，通
保护
供电 过MCU定时器控制MOS管以25 Hz的频率导通或关
5 V 与 DC-DC 6 V LDO 5 V
隔离 断，实现光源调制。

2.4 差压传感器调理电路
2.5 V 1.25 V 3.3 V
系统采用检测气路差压的方式实现流量调控。
其他
ADC 红外 差压 模拟 但在实际工程应用中，若将差压信号用于反映气路
参考 器件 流量并实现流量的精准控制，必须保障其稳定性。
电源 传感器 传感器
然而，当前微型气泵多数为隔膜泵，其抽气时的隔
图2 基于一体化气路的微流式呼气末CO 2 监测系统电源架构 膜运动对气路流量的影响很小，但从差压检测的角
Fig.2 Power architecture of microstream end-tidal CO 2 monitoring system
度来看，这种隔膜运动会直接反映在差压传感器的
2.2 主控与AD转换电路 输出上，使传感器的输出电压呈现出波动状态。因
系统需要进行大量浮点数据运算，同时需要保 此，本文通过计算差压信号输出电压的RMS值，
证采样率。因此，采用ST公司的STM32F4系列微 将一个交变的差压波动信号转换为相对平稳的直流
控制器。该微控制器主频最高可达180 MHz，并且 信号，以反映气路实际流量，实现流量的精确控制。
具有浮点运算单元（floating-point unit, FPU），能 本文使用由运算放大器U2-A构成的单级放大
够满足系统的设计需求。另外，系统使用外部多通 电路和+5 V基准电压源，将差压传感器U1的1.75~
道高精度24位AD转换芯片对红外传感器的三路输 3.3 V输出电压范围扩展至0.1~4.9 V，然后通过由
出信号以及差压传感器的一路输出信号进行采集。 精密运放U2-B和外围阻容器件构成的二阶巴特沃

2.3 开关控制电路 斯低通滤波及一阶RC抗混叠低通滤波输出至ADC。
开关控制电路主要包括红外光源调制电路、气 经仿真，该电路在1 MHz的频带内输出的噪声仅为
泵脉冲宽度调制（pulse-width modulation, PWM） 474.11 nV。差压传感器调理电路如图3所示。

R38 R40

+5.0 V
R41 C58
+3.3 V
+5.0 V −INB R44
NC NC
NC NC −INA + R42 R43 OUTB ADC_NPA
R39 OUTA +INB
VSS VDD
SIG +INA − U2-B C60
U2-A
U1
C59
图3 差压传感器调理电路
Fig.3 Differential pressure sensor conditioning circuit

2.5 红外传感器调理电路 由传感器数据手册可知，使用专用的红外脉冲
光源在6.5 V供电、4.5 Hz调制频率、15 mm传感器
本文采用双通道红外热电堆传感器对呼吸CO 2
信息进行检测。该电路有信号通道、参考通道和热 间距的测试条件下，参考通道电压响应典型值为
68 μV，信号通道电压响应典型值为95 μV。由此搭
敏电阻（negative temperature coefficient, NTC）共
建传感器二级放大滤波调理电路，参考通道和信号
3个信号输出管脚，其管脚网络连接如图4所示。
通道的电路结构、参数均相同，如图5所示。

ТР1 另外，传感器内置的NTC在系统中用作热电堆
VREF ТР2 2个通道的软件温度补偿，其在0~60 ℃的温度区间
TP_NTC
内阻值变化范围为23 405~338 943 Ω。设计电路，使
U6
NTC通道在该温度区间内输出0.1~4.9 V的电压，从
图4 双通道红外热电堆传感器管脚网络连接 而提高NTC的灵敏度，扩大输出动态范围。NTC通
Fig.4 Pin network connection diagram of the dual-channel infrared
thermopile sensor 道调理电路如图6所示。

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