本帖最后由 Killoser 于 2020-4-8 16:38 编辑


呼吸机的原理和分类
作者：东兴研究圈

呼吸机为治疗呼吸衰竭患者重要手段。呼吸机用于机械辅助通气，实现帮助患者正常呼吸。当患者呼吸功能失常时，呼吸机可以模仿人的呼吸速率将含氧量不同的气体（21%-100%）送进肺部，并规律性地进行气体交换，帮助患者改善缺氧、二氧化碳滞留状态。

医用呼吸机为三类医疗器械，常规家用呼吸机为二类医疗器械。根据 2017 年版《医疗器械分类目录》来看，家用呼吸支持设备（非生命支持）、睡眠呼吸暂停治疗设备属于二类医疗器械，一般用于家庭；治疗呼吸机（生命支持）、急救和转运用呼吸机、高频呼吸机、家用呼吸机（生命支持）属于三类医疗器械，兼具无创与有创的连接方式，多在医疗机构使用。有创呼吸机主要用于治疗重度呼吸衰竭的无意识患者，无创呼吸机是针对有呼吸意识的呼吸衰竭高危患者。从连接方式来看，主要为有创与无创呼吸机。无创呼吸机主要用于重症家监护病房、普通病房、家庭，治疗轻中度呼吸衰竭患者；有创呼吸机一般用于重症监护病房，治疗重度呼吸衰竭患者。

关键芯片技术壁垒高，决定呼吸机质量优劣与使用效果。以医用有创呼吸机来看，按照核心技术难度、供气方式分为低中高档，关键芯片技术决定了呼吸机质量的优劣。其中高档产品主要为外资产品，高档呼吸机运营的稳定性好，可靠性高，价格约为 35-40 万元，中档价格次之，价格约为 20-25 万元。



美敦力PB560呼吸机的公开资料
作者：朱玉龙/汽车电子设计微信公众号

为缓解呼吸机供应短缺，将便携式的PB560呼吸机设计图纸全部开源，包括了软件、硬件（BOM+PCBA）、和结构图纸。如下图所示，我们可以理解下这个呼吸机包含哪些东西。呼吸机的基本功能为是辅助病人呼吸，包括辅助供氧的气路压力控制、整个回路的压力监控、回路的湿度监控，这些是基于医学的一套需求功能。在实际工作中，由于和人的性命相关，整个系统页包含自身的故障诊断功能，包括供电的高、低压报警、病人的窒息报警、湿度过高/过低报警，流速监控报警、供氧基本管路报警、呼吸机供电系统报警、电池系统故障报警、通讯报警等。

美敦力的呼吸机基本功能

根据PB569里面的几块板子，包括Power Supply Board、Power Pack2、BuzzerBoard、CPU Board和电池板，整个系统结构是比较简单的。核心的就是我们之前汽车ECU里面，输入传感器检测和输出阀门和基于PWM的气泵控制。

美敦力呼吸机电子控制原理图

这个产品的难度，如下图所示，由于这个市场是稳定的，需要强管制的产品。即使是美敦力开源，从PCBA的打样、找部件、烧录软件，这个工作需要挺长一段时间才能把产量提高，而且这些元器件设计选型可能比较老，在当前的条件下，你想批量的按着现有的材料造出来，还比较困难。

呼吸机的供电整理


开源原理图、PCB
作者：公众号作者『strongerHuang』（黄工）

从上面下载的第一部分，解压可以看到这个一个文件夹：Electrical Schematics，这里面就是相关的原理图。包含CPU、电源、蜂鸣器等一些板卡的原理图。

在下载的第二部分里面包含PCB文件，你会发现CPU的封装类型：

通过原理图和PCB，再结合公开的源文件(BOM)，可以确定CPU的具体型号为：ST10F276Z5T3.

（当然，开源的PB560呼吸机使用的控制器芯片除了ST10F276Z5T3芯片之外，还使用了另一款MCU （PIC18F66）作为电源管理控制器，同时还使用了CY7C67300控制器作为USB HOST）

通过以上分析可以得出，开源的PB560呼吸机使用的CPU具体型号为ST10F276Z5T3。今天的STM32是在早期的ST10、STR7等产品的基础上发展而来，今天的STM32和早期的产品一样，发展出了多个系列。虽然部分早期的产品现在还在供货，但是，STM32已经替代了早期的产品，一些工具也不再更新，所以，现在不推荐大家使用早期的产品了。

ST10系列是ST意法半导体的具有DSP功能的高性能16位CPU，采用0.18μmCMOS技术，最大64MHz时钟。ST10系列相比之前ST6、ST7系列MCU更新，目前官方还能找到一些相关资料。

ST10F276Z5网址：
https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/st10f276z5.html

引脚信息：

通过该引脚信息和上面原理图对比，能发现引脚完全对应，通过上面框图可以看见ST10系列MCU资源还是挺丰富，官方也有资料和推荐开发工具：

Keil C166开发环境

PB560呼吸机公开的源代码（ST10F276）使用的集成开发环境就是Keil C166，这个开发环境和我们使用Keil C51、 MDK差不多，只要你会其中一个，再去使用 Keil C166 就没有难度。

1. Keil C166支持的芯片

Keil C166相对于Keil C51、 MDK要小众一点，主要是支持一些16位的MCU产品：

    Infineon（英飞凌）的C16x、 ST10、 XC16x系列；
    Micronas（微开半导体）的C16x、 ST10、 XC16x系列；
    ST（意法半导体）的C16x、ST10、XC16x系列；

具体请参看：
http://www.keil.com/c166/chips.asp
2. Keil C166开发环境

下载地址：
https://www.keil.com/download/product/

Keil的相关下载安装和使用，可以参看的我整理的Keil系列教程，后台回复“Keil系列教程”查看更多内容。

当然，ST10F276控制器除了Keil，还可以使用Altium的TASKING工具进行开发。

软件源代码

PB560呼吸机公开的源代码有点多，这个工程其实挺大的，占用空间大小约18M，有1400+个文件。

我自认我去年配置的台式电脑配置也不差（9代处理器 16G内存 SSD），结果，编译了1分53秒（当然，与编译器、代码结构等有关）：

编译后的代码量：550K左右。

main函数源代码：这是公开的源代码main函数，代码去掉了注释。

为什么工程那么大，通过源代码你会发现包含的内容其实挺多：ADC、 SPI、 UART、 USB、TIMER、POWER、存储、显示······等。

美敦力开放的源文件需要遵循一定许可协议，供同行参考和借鉴。设计源文件公开地址：https://www.medtronic.com/us-en/e/open-files.html

填写相关信息，并遵循相关的许可，就可以直接下载公开的设计源文件了。到目前（2020-04-08）公开了5部分设计源文件：

社区本地下载：https://mbb.eet-china.com/download/z/1.html，除了第四部分（BOM表）文件太大没有上传。

包括制造夹具，印刷电路板图纸，BOM和3D CAD文件。 4月1日，发布了软件源代码文件。4月3日发布了带有其他BOM和其他信息的最终文档包。


特斯拉的原型呼吸机
作者：朱玉龙/汽车电子设计微信公众号

特斯拉的工程师团队是非常灵活和有意思的，因为呼吸机的原理如视频所说，其实并不复杂，使用车用的HVAC系统，转变到呼吸机的要求，需要一些时间。他们的做法，就是使用车上的部件，根据系统原理图进行重组，这里分为车用原有部件、其他部件（主要是检测传感器）和医疗部件，下面是特斯拉做的总体结构框图。如上面所说的，核心的问题是控制氧气的输入压力和整体的流量、压力和湿度控制。

图4 特斯拉呼吸机的框图

特斯拉其实跳过了美敦力用嵌入式系统来控制单个控制器，采用了Model 3/Y上的娱乐系统来进行顶层控制（在这个里面，特斯拉基于Linux开发），传感器和驱动部分，使用车身控制器（包含VC Front和VC Right两个，一个是配电功能+一个控制功能）来控制可变阀门交换信息，并且根据自己的系统GUI开发，快速在15寸屏上做系统的交互，进行调节气压、流量、气量的操作。 备注：这套原型系统是具备12V电池+外部接入的电源

图5 特斯拉的呼吸机控制部件

其实我的理解，这种偏向于集成化的系统架构，以后在车上是比较普遍的，大众/奥迪所提倡的End to End（E2E）的架构，开发的核心还是自己的信息系统OS，假定在ID3上这么魔改，我们也能快速的得到一套基于车载域控制器的系统，理论上这个开发时间可能比我们在底层ECU上面改起来更快一些，特别是不算特别实时的任务。

图6 奥迪的E3电子架构

来源：东兴研究圈，朱玉龙/汽车电子设计微信公众号，公众号作者『strongerHuang』（黄工）