雖然定制印刷的 PCB 可以將這些組件集成在一塊板上，但 MPS 解決方案利用每個(gè)產(chǎn)品的預(yù)制、現(xiàn)成的評(píng)估板來(lái)縮短開發(fā)時(shí)間，同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)緊湊的解決方案。

對(duì)于此解決方案，EV2759-Q-01A評(píng)估板從標(biāo)準(zhǔn) 19 V 交流電源適配器(例如筆記本電腦上使用的適配器)獲取主要輸入電源，并在電池為呼吸機(jī)系統(tǒng)供電時(shí)保持集成備用電池的電量. 該評(píng)估板的最大輸入電壓為 36 V，可以處理具有不同電池調(diào)節(jié)電壓和最大 3 A 充電電流的 1 至 6 個(gè)串聯(lián)電池的電池。

該解決方案中使用的電池為 14.8 V、4S、6,000 mAh 鋰電池組，廣泛用于遙控 (RC) 汽車和小型機(jī)器人。如果交流電源被移除，系統(tǒng)電源和操作不會(huì)受到干擾，允許緊急呼吸機(jī)在停電或運(yùn)送病人時(shí)連續(xù)運(yùn)行。此外，EV2759-Q-01A 評(píng)估板可配置為在交流斷電事件期間觸發(fā)警報(bào)。交流供電恢復(fù)后，該告警消失。

接下來(lái)，MPM3510A 轉(zhuǎn)換器模塊降低主系統(tǒng)電壓，為 Arduino 微控制器提供持續(xù)、穩(wěn)定的電源。由于 Arduino 控制系統(tǒng)，因此需要可靠且準(zhǔn)確的電源。該轉(zhuǎn)換器模塊可適應(yīng) 4.5 V 至 36 V 的寬輸入電壓范圍，并具有低至 0.8 V 的可調(diào)輸出和 1.2 A 的連續(xù)負(fù)載電流能力。

最后，MP3910A 控制器提升主系統(tǒng)電壓，為 24V BLDC 智能電機(jī)供電。與 Arduino 一樣，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要可靠的電源才能提供一致的性能。對(duì)于緊急呼吸機(jī)系統(tǒng)，不一致的電機(jī)性能會(huì)導(dǎo)致空氣輸送不準(zhǔn)確。PWM 升壓控制器具有 9 V 至 14 V 的標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓范圍，它嚴(yán)格調(diào)節(jié) 24 V 輸出，為峰值功率電機(jī)需求提供足夠的電流。

壓縮BVM 設(shè)計(jì)的電機(jī)是EVKT-MSM942077-24，這是一款 77-W BLDC 智能電機(jī)，框架尺寸為 42-mm，集成智能電機(jī)模塊 MMP742077-24-C。電機(jī)通過(guò) RS485 接口連接到 Arduino，并使用 MPS 開發(fā)的“MSMMotor.h”Arduino 庫(kù)中的命令進(jìn)行控制。

EVKT-MSM942077-24 智能電機(jī)模塊使 BLDC 電機(jī)控制更易于訪問(wèn)。在智能電機(jī)模塊內(nèi)，有一個(gè)集成的磁性角位置傳感器、一個(gè)磁場(chǎng)定向控制器 (FoC) 和電源驅(qū)動(dòng)器。此外，它還具有 RS485 和 PULSE/DIR 輸入接口選項(xiàng)、77 W 連續(xù)功率輸出和 0.3° 位置分辨率。

電機(jī)參考板允許設(shè)計(jì)人員使用電流測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)歸位程序，該程序檢測(cè)機(jī)械擠壓臂何時(shí)在“打開”方向上接觸內(nèi)置機(jī)械硬停止。這種硬停止在啟動(dòng)期間將電機(jī)設(shè)置為零位，以確保一致的性能，從而無(wú)需單獨(dú)的歸位開關(guān)并簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

呼吸機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)

緊急呼吸機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，并盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)部件。在不使用商業(yè)部件的情況下，該解決方案包含簡(jiǎn)單的定制機(jī)械部件。例如，擠壓槳是符合 BVM 機(jī)器形狀的 3D 打印塊。

機(jī)械設(shè)計(jì)的技術(shù)要求要求在各種吸氣與呼氣 (I:E) 比率下具有特定范圍的每分鐘呼吸 (BPM)。根據(jù) MIT 項(xiàng)目提供的 BPM 和 I:E 比率范圍，以及他們對(duì)擠壓 BVM 的力要求的建議，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)計(jì)算了與 EVKT-MSM942077-24 電機(jī)控制一起使用所需的齒輪減速模塊。

該團(tuán)隊(duì)安裝了標(biāo)準(zhǔn)的 100:1 變速箱和齒輪組，最終減速比為 200:1，以達(dá)到所需的速度和扭矩水平。其他組件(例如壓力傳感器、警報(bào)蜂鳴器、顯示面板、按鈕、旋鈕和開關(guān))都是標(biāo)準(zhǔn)組件，可以用系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可用的任何等效部件進(jìn)行替換。

在 MPS 的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了第一個(gè)功能原型后，通過(guò)視頻、項(xiàng)目網(wǎng)站和網(wǎng)絡(luò)推廣傳播了消息。多個(gè)聯(lián)系人和小組被告知了開發(fā)過(guò)程，并提供了幫助以集成設(shè)計(jì)特有的電氣特性。然而，MPS 并沒(méi)有制造這種設(shè)計(jì)。

一旦創(chuàng)建了這個(gè)解決方案，許多呼吸機(jī)制造商就已經(jīng)趕上了供應(yīng)短缺的問(wèn)題，而 COVID-19 治療方案不太注重通風(fēng)，尤其是像 BVM 機(jī)器這樣的緊急使用呼吸機(jī)。為了將來(lái)的使用，MPS 設(shè)計(jì)了原型的第二個(gè)版本，如果需要可以使用。

MPS 的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要感謝 MIT E-Vent 項(xiàng)目和創(chuàng)客社區(qū)中無(wú)數(shù)其他人，他們也是這項(xiàng)全球努力的一部分。在開發(fā)這種緊急使用的呼吸機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，社區(qū)的想法提供了重要的參考資料。