0   引言

長期以來，國內很多醫療機構采用國外進口的醫療設施，不僅價格昂貴，且后期的保養維護也較為麻煩，還不能根據國內醫療機構的實際情況盡快做出修改和改進，無法滿足國內快速增長的需要。

無線溫度驗證儀就是一個例子，無線溫度驗證儀系統主要應用于醫療產品設施的殺毒滅菌等消毒柜領域的溫度檢測，以及密封設備等實時溫度檢測的再現，無線溫度驗證儀能應用于濕熱滅菌、濕熱消毒、干熱滅菌等熱力滅菌領域，在醫療衛生、工業生產種也大量廣泛使用，可以提高醫療設備的監管水平，并能及時和醫療機構進行溝通改進，滿足國內實際情況的需要。系統的各項技術指標已經達到國外產品要求或者已經超過國外產品的性能，價格卻比國外的低很多，并且已經開始在國內醫療機構得到應用和推廣。

1   系統結構及原理

系統QT5100是一種離線數據記錄裝置的無線溫度驗證儀系統。在記錄數據之前進行記錄方案編制，之后脫離系統控制，按已經下載的方案信息進行數據記錄，數據記錄結束后，上傳數據并分析處理，生成數據報告。本系統由三部分組成：上位機軟件、無線讀數臺、無線數據記錄器（探頭）。其中上位機軟件為人機界面，用于編制方案、上傳數據、分析數據、生成報告等。無線讀數臺為中間轉發機構，負責記錄器與上位機之間的通訊轉發。數據記錄器（探頭）為執行數據記錄方案的最終單位，按照編制的方案離線進行數據記錄。

無線驗證儀喚醒模式為中斷觸發，探頭連接后自動進行電源復位并喚醒，QT5100無線讀數臺為USB連接線在線供電，增加探頭在線狀態監測功能，通過模擬開關進行通道選擇和擴展，模擬串口通訊為硬件串口，并提高通訊波特率進而提高整體通訊速度。

單總線為普通串口通過特定電路轉化為單線連接的一種半雙工通訊方式，物理連接發生改變而通訊接口與串口相同。該系統的通訊就是利用單總線的方式。本系統的單總線結構內部設置多個電容供電電路。當單總線處于工作狀態時，來自無線讀數臺的高電平保持單總線上的高電平，一方面會通過二極管向單片機及芯片供電，另一方面也會對內部電容充電；當無線讀數臺傳輸數據處于低電平時，單總線保持低電平會使二極管截止，無法給單片機及芯片供電，這時內部電容就會向單片機及芯片供電。但是由于電容的容量有限，因此要求單總線能間隔地提供高電平，以不斷地向內部電容充電、維持器件的正常工作。當單總線無法滿足系統正常工作時，無線數據記錄器（探頭）內部電池會提供足夠的電壓維持系統正常工作，系統也主要是依靠電池來保證系統正常工作的，單總線一方面讀取無線數據記錄器數據，另一方面還能間隔給電容充電，能減少無線數據記錄器電池的耗電，能增加系統正常工作時間。

2   無線讀數臺

無線讀數臺為中間轉發機構，負責記錄器與上位機之間的通訊轉發，系統主控制芯片采用STM32單片機，該單片機相應的外圍電路及程序也都成熟，對于單片機最小電路設計和程序調試來說也信手拈來，且該芯片是高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計，滿足系統可靠和穩定運行的能力也游刃有余。表1是無線讀數臺基本功能簡介。

無線讀數臺主要原理是利用PMOS管FDV302P的導通功能，將來自無線數據記錄器（探頭）單總線的高低電平數據通過LM311電壓比較器的比較來實現數據和STM32單片機的交互，完成數據的讀取。然后無線讀數臺利用USB的FT232電路將數據上傳給上位機，上位機將數據分析處理。無線讀數臺部分原理圖如圖1所示。

圖1 無線讀數臺原理圖

3   無線數據記錄器

無線數據記錄器（探頭）為執行數據記錄方案的最終單位，按照編制的方案離線進行數據記錄。無線數據記錄器也是基于STM32單片機設計的，其中包括單片機STM32及模擬轉換器AD7798BRUZ、溫度傳感器PT1000、電源電池處理電路及單總線結構等。無線數據記錄器主要利用溫度傳感器PT1000將高溫采集到的溫度數據經AD7798BRUZ模數轉換存儲在電路中，只有等來自上位機的應答信號經無線讀數臺才能將采集到的數據重現和分析。考慮到省電和工作時長要求，平時無線數據記錄器的STM32外圍電路處于休眠模式，只有溫度傳感器及采集轉換電路處于工作狀態。要想讀取無線數據記錄器里面的數據應該先喚醒它，圖2是無線數據記錄器（探頭）喚醒示意圖。

圖2 探頭喚醒示意圖

4   上位機軟件

4.1 上位機界面

上位機界面是通過USB與無線讀數臺連接，上位機軟件為人機界面，用于編制方案、上傳數據、分析數據、生成報告等。除此之外，上位機還可以進行用戶信息的維護、用戶增加、密碼修改等操作，用來保護數據的隱私，不會泄露；將數據導出PDF報表進行打印或保存等；還可以查看之前保存記錄，進行對比分析等功能；另外可以將數據庫進行修改升級等滿足各種客戶的需求。圖3是上位機界面工作示意圖。

圖3 上位機界面示意圖

4.2 通訊協議

1)物理接口

通信口采用專用單總線接口，上位機等效為串口。信息傳輸方式為異步方式，起始位1位，數據位8位，停止位1位，無校驗位。數據傳輸速率為57.6 kbit/s。

2)外部接口

上位機與無線讀數臺、無線數據記錄器（探頭）之間的通信采用主從方式，上位機呼叫無線讀數臺和探頭并下發命令，無線讀數臺和探頭收到命令后返回相應信息。若上位機在100 ms內收不到響應信息或接收響應信息錯誤，則認為本次通信過程失敗。

3)通訊功能簡述

通訊功能如表2所示。

4.3系統異常處理

讀數臺運行過程中接收到數據有LED進行提示，校驗通過或產生錯誤也通過LED進行指示。探頭通過上電瞬間發送WakeUP信號，方便后續故障排查和維護。為了系統維護的方便 ，通過與上位機輪詢應答保證在線狀態，并對讀數臺進行總線電壓檢測和溫度監測并上傳。

5   結語

無線溫度驗證儀系統是一種簡單高效的高溫濕熱滅菌檢測系統，通過無線數據記錄器（探頭）的實時測量，最后通過無線讀數臺將測量數據讀取出來，并通過上位機軟件導入數據庫進行分析、對比以及保存，還可以查詢以及完成數據列表、生成驗證報告等功能。將高溫濕熱滅菌的效果通過數據重現，對于確保持續穩定的滅菌效果給予保證，目前該技術已經通過本公司自己的努力，逐漸克服了系統的技術難點，而且還將功能得到來進一步提升，能根據醫療機構的需求，將上位機系統進行各種改進及升級，滿足各醫療機構獨特的要求。將系統的應用廣泛性和技術指標提高到一個新的水平，并有良好的市場。

但是，該系統仍然受到個別技術問題的困擾，例如無線數據記錄器（探頭）依靠電池供電，內部結構比較狹窄，所采用電池電量就相應較小，雖然探頭內部也采用了休眠系統減少耗電，時間長了難免電池還會耗盡，必須回廠更換新的電池。相信隨著技術水平的提高，會有更好性能電池研究出來，以減少回廠保養的頻率，另外也會考慮更換一種可充電電池，通過單總線結構既能采集數據，還能給探頭內部電池間斷充電。將來，會努力解決不足，以進一步改善系統的可靠性和應用持久性。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2020年9月期）