一种医用真空负压机驱动系统

技术领域

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种医用真空负压机驱动系统。

背景技术

近年来，负压伤口治疗管理作为一种封闭式负压治疗技术，广泛应用于各类局部组织伤口愈合治疗，负压伤口治疗管理技术的应用可保证组织伤口表面形成负压环境，促进伤口愈合。

目前常见的负压机、负压引流装置是要配合负压罐、引流瓶一起使用，此类装置主要针对渗液量很大的如大面积溃疡、烧伤、电击伤等之类伤口管理，用于收集伤口溢出的大量渗液。此类装置在实际使用过程中存在三个方面问题：1、负压引流类装置主要用于收集大量渗液，收集结束后不能一直在伤口表面构建负压环境，容易复发感染；2、负压引流类装置主要针对开创式伤口收集创面渗出液，而用于缝合性伤口时，会因为负压引力过大破坏表皮的肉芽组织，影响伤口恢复愈合；3、负压引流类装置负压值范围较大，无法做到针对缝合性伤口的精细化负压环境管理，不利于伤口疤痕祛除治疗。因此，可针对缝合性伤口构建精细化负压环境管理的医用真空负压机成为了一种需求，设计出能满足这种需求的医用真空负压机驱动系统是十分必要的。

发明内容

本发明正是针对背景技术中存在的技术问题，提出一种负压采集灵敏度高、负压值精细化、电路成本较低的医用真空负压机驱动系统。

本发明提供一种医用真空负压机驱动系统，包括输入电源(1)、MCU控制器(9)、功率放大电路(5)、负压泵组件(6)、气压采集电路(7)；

所述输入电源(1)与MCU控制器(9)电性连接，用于对医用真空负压机驱动系统供电；

所述功率放大电路(5)接受来自于MCU控制器(9)的控制信号，控制负压泵组件(6)启动、关闭或停止；

所述负压泵组件(6)接受功率放大电路(5)控制其启动、关闭或停止的信号；

所述气压采集电路(7)设置于负压泵组件(6)的进气口上，用于采集负压环境的气压变化，并将其转化为电压变化，输出电压变化数据至MCU控制器(9)；

所述MCU控制器(9)用于采集、处理来自于气压采集电路(7)的数据，控制功率放大电路(5)的运行。

作为改进，所述输入电源(1)为干电池、锂电池或者通过适配器外接的直流电源；输入电源为医用真空负压机驱动系统电源中心。

作为另一种改进，所述功率放大电路(5)为基于N沟道场效应管的开关电路，其中N沟道场效应管的栅源极阈值电压为1.5V@240uA，导通阻抗低于0.45Ω；所述功率放大电路为驱动负压泵组件的电路系统，由MCU控制器输出信号实时控制N沟道场效应管的导通或截止，从而实现控制负压泵组件启动或暂停的功能。

作为另一种改进，所述负压泵组件(6)包括隔膜泵、电机基座板；所述电机基座板是一种主要材质为环氧玻纤布基板的印制电路板，其板内存在正、负电气信号线并于功率放大电路连接；所述隔膜泵存在正、负电气连接点，与电机基座板的正、负电气信号线电性连接；所述隔膜泵的气道管路存在进气口和出气口，气压采集电路设置于进气口上。

作为另一种改进，所述气压采集电路(7)为基于惠斯通电桥原理的气压采集电路，实现气压变化转化为电压变化的精密电阻式气压传感器，可采集压力范围为0-37kPa；优选地，所述气压采集电路(7)为利用电阻式压力传感器将10kPa～20kPa的气压变化转化为6mV-12mV的电压变化的传感器。

作为另一种改进，所述MCU控制器(9)为基于STM8L的低功耗芯片的医用真空负压机控制器。

作为另一种改进，还包括反接保护电路(2)和电源管理电路(3)；所述反接保护电路(2)和电源管理电路(3)依次串联于输入电源(1)和MCU控制器(9)之间；

所述反接保护电路(2)用于防止输入电源(1)的电源极性反接时保护电源管理电路(3)不受损坏，反接保护电路包括P沟道场效应管、NPN三极管，P沟道场效应管的源极和漏极分别接于输入电源(1)的输出端和电源管理电路(3)的输入端，当输入电源极性反接时断开与电源管理电路的连接，当NPN三极管的基极输入高电平时P沟道场效应管导通，电源正常接通；

所述电源管理电路(3)包括依次连接的低输入升压电路和低压差线性稳压电路，低输入升压电路为干电池输入电源升压电路，用于保证驱动系统稳定工作，随着电池电量的消耗，电池组的输出电压也在不断下降，低输入升压电路实现输入电源电压最低1.1V仍有输出；低压差线性稳压电路为MCU控制器提供固定3.0V电源输出，用于保证3.0V电源输出信号性能参数如电源纹波、高频噪声最优化处理，低输入升压电路属于开关型电路类型，输出的电源信号难免存在高频噪声，纹波较大，而MCU控制器作为整个驱动系统的控制中心，电源高频噪声最优化处理对MCU控制器性能稳定性很重要。

作为另一种改进，还包括LED显示电路(4)，其与MUC控制器(9)电性连接，用于显示医用真空负压机驱动系统的功能是否正常；例如，该电路可包括3颗单色LED灯和3颗NPN三极管；3颗LED灯分别为绿色、黄色、红色，利用MCU控制器(9)输出信号控制NPN三极管导通和截止来控制每颗LED灯的亮灭，从而显示医用真空负压机驱动系统的功能是否正常。

作为另一种改进，还包括差分放大电路(8)，串联于气压采集电路(7)和MCU控制器(9)之间，用于将气压采集电路(7)输出的6mV-12mV的电压变化经信号放大、输出阻抗匹配，随后发送至MCU控制器(9)；差分放大电路分为仪表运放芯片构成的集成电路方案和通用运放芯片构成的分立电路方案，分立电路电路方案为低功耗、高精度三运放组合成仪表差分放大电路；可通过前端增益电阻、后端增益电阻、直流偏置电压来调试合理的仪表差分放大电路的增益。

作为另一种改进，还包括电压采集电路(11)，电压采集电路(11)用于实时采集输入电源(1)的电压变化并连接至MCU控制器(9)；电压采集电路(11)由电容和电容构成RC滤波电路。

作为另一种改进，还包括按键控制电路(10)，与MCU控制器(9)连接，用于开启、关闭或暂停医用真空负压机驱动系统，预设负压范围；所述按键控制电路为机械按键构成的外部中断触发电路，主要实现医用真空负压机的开启、档位选择、关机等功能。

另一方面，本发明提供一种医用真空负压机驱动系统，包括输入电源(1)、MCU控制器(9)、差分放大电路(8)、负压泵组件(6)、气压采集电路(7)，其中，所述输入电源(1)与MCU控制器(9)电性连接，所述气压采集电路(7)设置于负压泵组件(6)的进气口上，所述差分放大电路(8)串联于气压采集电路(7)和MCU控制器(9)之间。

进一步的，还包括依次串联于输入电源(1)和MCU控制器(9)之间的反接保护电路(2)和电源管理电路(3)，所述电源管理电路(3)包括依次连接的低输入升压电路和低压差线性稳压电路。

有益效果：本发明提供的医用真空负压机驱动系统相对于现有技术，具有以下突出的优势：

1、电池续航能力强。电源管理电路，特别是涉及到低输入升压电路和低压差线性稳压电路可以保证电池电量最大化利用，MCU控制器和功率放大电路性能更加稳定。同时差分放大电路采用低功耗芯片，MCU控制器亦有待机低功耗处理算法，整体驱动系统功耗较低。

2、成本低，性价比高。差分放大电路的仪表运放芯片集成电路方案所需外围器件很少，元件物料成本较低；特别是采用通用运放构成分立电路方案，通用运放仪表运放芯片成本更低。

3、电源反接保护功能。利用P沟道场效应管和NPN三极管组成的电源反接保护电路，当输入电源极性相反时，输入电源与电源管理电路之间时断开状态，只有输入电源极性正确，电源管理电路才能正常工作。

4、简洁化、便捷式。该驱动系统实现了控制电路板与负压泵组件、输入电源的直接连接，省去了一些外围器件，控制电路板面积较小，达到整体元件布局简洁，整机使用更加便捷。

附图说明

图1为本发明医用真空负压机驱动系统的电路框图。

图2为本发明通用运放构成的分立差分电路框图。

图3为本发明仪表运放芯片构成的集成电路框图。

图4为本发明气压采集电路内部电路框图。

图中：1-输入电源，2-反接保护路，3-电源管理电路，4-LED显示电路，5-功率放大电路，6-负压泵组件，7-气压采集电路，8-差分放大电路，9-MCU控制器，10-按键控制电路，11-电压采集电路，811-片上运放，812-片上精密电阻，813-外部电阻，821-恒流源电路，822-电压跟随器，823-反馈电阻，824-前端增益电阻，825-差分电路，826-后端增益电阻，827-直流偏置电压。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步的说明。

医用真空负压机驱动系统，见图1，包括输入电源(1)、反接保护电路(2)、电源管理电路(3)、LED显示电路(4)、功率放大电路(5)、负压泵组件(6)、气压采集电路(7)、差分放大电路(8)、MCU控制器(9)、按键控制电路(10)、电压采集电路(11)。

输入电源(1)，与MCU控制器(9)电性连接，用于对医用真空负压机驱动系统供电；输入电源(1)为干电池、锂电池或者通过适配器外接的直流电源；输入电源为医用真空负压机驱动系统电源中心。

反接保护电路(2)和电源管理电路(3)依次串联于输入电源(1)和MCU控制器(9)之间；

反接保护电路(2)，用于防止输入电源(1)的电源极性反接时保护电源管理电路(3)不受损坏，反接保护电路包括P沟道场效应管、NPN三极管，P沟道场效应管的源极和漏极分别接于输入电源(1)的输出端和电源管理电路(3)的输入端，当输入电源极性反接时断开与电源管理电路的连接，当NPN三极管的基极输入高电平时P沟道场效应管导通，电源正常接通；反接保护电路2，基于P沟道场效应管，可以保证输入电源1极性接反的情况下对电源管理电路3形成保护，即只有输入电源1连接极性正确，电源管理电路3才有电源输入，否则电源管理电路3没有电源输入。

具体的说，该反接保护电路2主要由P沟道场效应管和NPN三极管组成，NPN三极管的基极连接输入电源1的输出信号正极，NPN三极管的发射极连接输入电源1的输出信号负极，NPN三极管的集电极连接P沟道场效应管的栅极；P沟道场效应管的源极连接输入电源1的输出信号正极，P沟道场效应管的漏极连接电源管理电路3的输入端。当输入电源1输出电气极性正确时，NPN三极管导通，P沟道场效应管导通，输入电源1的信号正常传输到电源管理电路3的输入端；当输入电源1输出电气极性相反时，NPN三极管截止，P沟道场效应管截止，输入电源1的信号无法传输到电源管理电路3的输入端。

电源管理电路(3)，包括依次连接的低输入升压电路和低压差线性稳压电路，低输入升压电路为干电池输入电源升压电路，用于保证驱动系统稳定工作，随着电池电量的消耗，电池组的输出电压也在不断下降，低输入升压电路实现输入电源电压最低1.1V仍有输出；低压差线性稳压电路为MCU控制器提供固定3.0V电源输出，用于保证3.0V电源输出信号性能参数如电源纹波、高频噪声最优化处理，低输入升压电路属于开关型电路类型，输出的电源信号难免存在高频噪声，纹波较大，而MCU控制器作为整个驱动系统的控制中心，电源高频噪声最优化处理对MCU控制器性能稳定性很重要。

功率放大电路(5)，接受来自于MCU控制器(9)的控制信号，控制负压泵组件(6)启动、关闭或停止；功率放大电路(5)为基于N沟道场效应管的开关电路，其中N沟道场效应管的栅源极阈值电压为1.5V@240uA，导通阻抗低于0.45Ω；功率放大电路为驱动负压泵组件的电路系统，由MCU控制器输出信号实时控制N沟道场效应管的导通或截止，从而实现控制负压泵组件启动或暂停的功能。

具体的说，功率放大电路5为基于N沟道场效应管的开关电路，其中N沟道场效应管的漏极连接隔膜泵的负电气连接点，N沟道场效应管的栅极连接MCU控制器9，N沟道场效应管的源极连接输入电源1的负电气连接点。当MCU控制器9输出高电平时，N沟道场效应管导通，隔膜泵负电气连接点与输入电源1的负电气连接点接通，负压泵组件开始工作，实现抽气功能；当MCU控制器9输出低电平时，N沟道场效应管截止，隔膜泵负电气连接点与输入电源1的负电气连接点断开，负压泵组件暂停工作。

负压泵组件(6)，接受功率放大电路(5)控制其启动、关闭或停止；负压泵组件(6)包括隔膜泵、电机基座板；电机基座板是一种主要材质为环氧玻纤布基板的印制电路板，其板内存在正、负电气信号线并于功率放大电路连接；隔膜泵存在正、负电气连接点，与电机基座板的正、负电气信号线电性连接；隔膜泵的气道管路存在进气口和出气口，气压采集电路设置于进气口上。

具体的说，负压泵组件6主要由隔膜泵、电机基座板、气道管路组成，隔膜泵存在正、负电气连接点；电机基座板是一种印制电路板，板内绘制正、负信号线与隔膜泵正、负电气连接点一一对应连接；气道管路存在进气口、出气口。隔膜泵的正、负电气连接点与电机基座板的正、负信号线连接；气道管路的进气口连接至气压采集电路7；电机基座板的正信号线连接点连接电源管理电路3的正极，电机基座板的正信号线连接功率放大电路5。

气压采集电路(7)，设置于负压泵组件(6)的进气口上，用于采集负压环境的气压变化，并将其转化为电压变化，输出电压变化数据至MCU控制器(9)；气压采集电路(7)为基于惠斯通电桥原理的气压采集电路，实现气压变化转化为电压变化的精密电阻式气压传感器，可采集压力范围为0-37kPa；优选地，气压采集电路(7)为利用电阻式压力传感器将10kPa～20kPa的气压变化转化为6mV-12mV的电压变化的传感器。

具体的说，如图2所示，气压采集电路7是一种基于惠斯通电桥原理，气压变化引起应变片的电阻变化，从而产生电压变化的电阻式气压传感器构建而成。本发明内容使用的气压传感器引脚焊接在印制电路板上，顶端的气体采集端口插入相应气嘴内，实时采集气嘴内负压环境，从而实现将10kPa～20kPa的气压变化转化为6mV-12mV的电压变化的功能。

如图4所示，气压采集电路7主要由四个压敏电阻R1、R2、R3、R4组成的电桥电路，利用电阻的变化来测量气流量的变化；当没有气流变化即无气压变化时，桥中的所有电阻值都是相等的，此时AB间和CD间电压相等；当有气压变化施加于电桥时，两个相向电阻的阻值将增加(如R1、R3)，而另两个电阻的阻值将减小(如R2、R4)，而且增加和减小的阻值彼此相等，从而输出变化的差分电压即AB、CD间电压变化。

差分放大电路(8)，串联于气压采集电路(7)和MCU控制器(9)之间，用于将气压采集电路(7)输出的6mV-12mV的电压变化经信号放大、输出阻抗匹配，随后发送至MCU控制器(9)；差分放大电路分为仪表运放芯片构成的集成电路方案和通用运放芯片构成的分立电路方案，分立电路电路方案为低功耗、高精度三运放组合成仪表差分放大电路；可通过前端增益电阻、后端增益电阻、直流偏置电压来调试合理的仪表差分放大电路的增益。

具体的说，差分放大电路8有两种电路方案，分别是仪表运放芯片构成的集成电路方案和通用运放芯片构成的分立电路方案，每种电路方案也有各自优缺点。

基于仪表运放芯片构成的集成电路方案，如图3所示，该电路方案外围器件较少、极高的共模抑制比、极低的输入偏置电流以及极低的运行功耗，对于处理模拟差分信号是很好的选择，但是该电路方案芯片成本较高，是通用运放芯片成本的十几倍，此外，集成电路方案的片上精密电阻812与外部电阻813阻值之间的偏差可能达到20％，同时也存在热性能差异，比如片上精密电阻812与外部电阻813可能具有相反的温度系数。因此有些产品对成本要求较高且使用时间并不长的，则无需考虑此类电路方案。

如图3所示，气压采集电路(7)输出变化的差分电压，该差分电压的正、负信号连接至差分仪表放大电路811的反相输入端，片上精密电阻812连接至差分仪表放大电路811的输出端实现增益的调节；外部电路813分别连接至片上精密电路812的上、下端分压连接点A、B。

基于通用运放芯片构成的分立电路方案，如图2所示，该电路方案外围元件较多，主要是电阻、电容器件，元件物料成本很低，但是该电路方案硬件调试工作繁琐，特别是反馈电阻823、前端增益电阻824、后端增益电阻826精度控制和匹配调试，同时对电路布局要求较高，需要充分考虑差分信号和模拟电源信号环流路径最小化设计。进一步的说，输入信号经过电压跟随器822放大，其得到的输入差分电压都呈现在前端增益电阻824两端，在这已过程中，差分信号增益可以通过前端增益电阻824进行调节，此处增益记为Au1，而共模信号增益仅有电压跟随器822单位放大，这也就意味着，输入信号的共模印制比相比之下也可以通过前端增益电阻824进行调节，这对差分信号采集有重要意义。随后，经过前端处理的信号输送至差分电路825，后端增益电阻826亦可以对前端处理后的信号进一步放大，此处增益记为Au2，最终输出信号的增益为Au1*Au2，此外，Au1*Au2的组合设定与直流偏置电压827有一定的逻辑关系，比如当Au1*Au2为40倍时，直流偏置电压需要设定在0.4V左右；当Au1*Au2为200倍时，直流偏置电压需要设定在0.2V左右。需要特别说明的是，后端增益电阻826在放大信号的同时亦会同步放大共模信号，这样会降低整个电路共模抑制比，这是不希望出现的，因此需要根据实际电路调试选择合适的Au2。因此，本发明提出的通用运放芯片构成的分立电路方案具有成本低，共模抑制比可调节，电阻热性能可匹配等优点。

如图2所示，利用分压电阻和运放821构成比较器，稳定输出电压；其输出电压连接到气压采集电路(7)，利用恒定电流源流过变化的电阻，从而对应产生变化的电压。该输出电压为差分电压，随后连接至缓冲电路822；利用增益组合电阻823、824可以调节缓冲电路822输出电压幅值；比例电阻826和差分运放825构成仪表放大电路，将气压采集电路(7)输出的差分电压进行放大输出；直流偏置电压827连接到仪表放大电路的反相输入端。

MCU控制器(9)，用于采集、处理和控制；MCU控制器(9)为基于STM8L的低功耗芯片的医用真空负压机控制器。

LED显示电路(4)，用于显示医用真空负压机驱动系统的功能是否正常。

具体地说，LED显示电路4是基于NPN三极管组成的开关电路，主要控制LED灯的负极通断。进一步地说，当MCU控制器9输出高电平，NPN三极管导通，LED灯点亮；当MCU控制器9输出低电平，NPN三极管截止，LED灯熄灭。本发明提出的LED显示电路4由三颗单色LED灯组成，分别为绿色、黄色、红色，通过相应LED灯的亮灭来作为功能指示。

按键控制电路(10)，与MCU控制器(9)连接，用于开启、关闭或暂停医用真空负压机驱动系统，预设负压范围；按键控制电路为机械按键构成的外部中断触发电路，主要实现医用真空负压机的开启、档位选择、关机等功能。

电压采集电路(11)，用于实时采集输入电源(1)的电压变化并连接至MCU控制器(9)；电压采集电路(11)由电容和电容构成RC滤波电路。

具体的说，电压采集电路11为实时监测输入电源1电量而设定，电压采集电路11为RC滤波网络。输入电源1的电流流过RC滤波网络的电阻两端，实现电流变化转为电压的变化，随后将该电压变化连接到MCU控制器9的AD采集口，实现MCU控制器9实时监测输入电源1电量的功能。RC滤波网络的电容主要时滤除电流路径中的噪声干扰，保证连接到MCU控制器9的信号电源纹波最优化处理。

该装置的工作原理：气压采集电路7将期望维持的负压值变化转换为对应的电压变化，再经过差分放大电路8的比例放大、信号匹配等处理后输送到MCU控制器9，MCU控制器9采集到的电压变化与程序设定的期望电压变化进行比较判断，从而得出当前负压值是否在期望范围内；如果是，则由MCU控制器9输出控制信号保持负压泵组件6处于待机状态，输出控制信号让LED显示电路4处于绿灯常亮状态；如果否，则由MCU控制器9输出控制信号让负压泵组件6处于工作状态，输出控制信号让LED显示电路4处于绿灯闪烁状态。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。