心脏模拟器的驱动控制与流量检测系统设计

发布时间：2017-09-12 12:05

  本文关键词：心脏模拟器的驱动控制与流量检测系统设计

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【摘要】：当今社会,受人们生活节奏的加快及饮食不规律等因素影响,心血管疾病已成为人类健康的头号杀手,心脏诊疗及心血管系统成为各国的研究热点。人体心脏结构原理复杂,不可能直接在体操作或取样研究,动物实验面临配置复杂,伦理道德及耗资巨大等问题,因此迫切需要建立一套动态的心脏模拟器系统,为心血管系统的血流动力学特性、人工心脏以及心脏导管介入等研究提供真实的实验测试平台。本文基于人体心脏的生理结构及泵血特性,建立了一套心脏模拟器的驱动控制及流量检测系统。主要研究内容和成果如下：(1)设计了气路驱动控制系统。通过分析心脏模型的气压驱动工作原理,设计了电机—曲柄—活塞杆一气缸的驱动装置,并以弹性腔理论为基础,对心脏内的血液流动情况进行数学研究,将左心室视为弹性腔,确定了驱动装置的设计参数及输出函数。对驱动装置的动力源电机进行控制,采用模拟电压控制电机转速,将FPGA作为下位机主控器,经D/A转换来调控心脏模拟器的跳动频率。(2)针对高速或突然改变电机转速时,电机的稳定性、快速响应特性受影响的情况,设计了电机调速的闭环PID控制,采用工程整定法中最常用的Ziegler-Nichols整定法确定了PID控制器的比例、积分、微分系数,实现了对心脏模拟器心率的精确控制。(3)采用时差法原理设计了超声波流量检测系统。设计了超声波发射、接收电路,利用Verilog HDL语言编写了超声波发射信号的时序控制、与测时芯片TDC_GP2通信控制以及与上位机串口通信的软件程序。实现了顺逆流ns级的时差测量以及心脏模拟器输出流量的实时测量。(4)为更加直观方便地调控心脏模拟器的工作状态及研究其输出特性,采用LabVIEW8.6编写了上位机界面程序,包括串口的发送、接收,电机PID参数设置以及将接收的时差数据进行换算处理,流量曲线显示等。最后对心脏模拟器的整个测控系统进行了性能测试实验,验证了设计的心脏模拟器的驱动控制及流量检测系统对心脏的血流特性研究是很有意义的。该心脏模拟器系统可动态模拟心脏的收缩舒张运动,心率控制精确可调,可模拟不同生理下的血流实验环境,超声波流量检测系统可实时监测血流量变化。该系统可用于教学演示,心血管系统的血流动力学特性研究,人工心脏血泵的性能测试以及医学影像设备的研发等。
【关键词】：心脏模拟器 驱动控制 超声波流量检测 PID
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH789
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 论文的研究背景与意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 驱动控制技术的研究现状12-14
• 1.2.2 流量检测系统的研究现状14-15
• 1.3 本论文的主要研究内容15-17
• 第二章 心脏模型的建立及驱动机理17-27
• 2.1 心脏的生理特性简介17-19
• 2.1.1 心脏的生理结构17-18
• 2.1.2 心脏的血液循环途径18-19
• 2.2 心脏泵血原理及其性能指标19-21
• 2.2.1 心脏泵血原理19-20
• 2.2.2 心脏泵血的血流量指标20-21
• 2.3 心脏模型的建立21-25
• 2.3.1 仿生结构设计21-22
• 2.3.2 气压驱动原理22-23
• 2.3.3 心室容积的时间函数23-25
• 2.4 本章小结25-27
• 第三章 气路驱动控制系统设计27-41
• 3.1 心脏模拟器的驱动回路设计27-28
• 3.2 驱动装置的参数及输出函数的确定28-31
• 3.2.1 驱动机构的参数确定28-31
• 3.2.2 模拟器的输出流量函数31
• 3.3 心脏模拟器的心率控制设计31-38
• 3.3.1 直流电机的数学建模32-33
• 3.3.2 模拟电压调速设计33-35
• 3.3.3 调速闭环PID控制35-38
• 3.4 本章小结38-41
• 第四章 超声波流量检测系统设计41-57
• 4.1 时差法测量原理41-42
• 4.2 超声波换能器的选型42-43
• 4.3 流量检测系统的硬件电路设计43-48
• 4.3.1 FPGA核心板43-44
• 4.3.2 发射模块44-45
• 4.3.3 接收模块45-47
• 4.3.4 时差测量电路47-48
• 4.4 流量检测系统的软件设计48-50
• 4.5 流量检测系统的性能测试50-54
• 4.5.1 超声波的发射接收实验50-51
• 4.5.2 时差测量模块实验51-52
• 4.5.3 流量标定实验52-54
• 4.6 误差分析54-55
• 4.7 本章小结55-57
• 第五章 心脏模拟器系统的整体实验57-63
• 5.1 心脏模拟器的实验系统简介57-58
• 5.1.1 上位机界面简介57-58
• 5.1.2 实验测试系统简介58
• 5.2 正常生理条件下的模拟实验58-59
• 5.3 不同心率下的血流特性实验59-61
• 5.4 本章小结61-63
• 第六章 结论63-65
• 6.1 全文总结63
• 6.2 工作展望63-65
• 参考文献65-69
• 作者简介69
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文69-71
• 致谢71

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本文编号：837106