電致生物效應高壓脈沖源控制系統設計

近年來(lái)發(fā)達國家對具有軟殺傷性的非致命武器(nonlethai weapons)表現出日益濃厚的興趣，其中高壓脈沖使生物失能效應研究是發(fā)展該類(lèi)武器的重要課題。電致生物效應高壓脈沖源是關(guān)鍵裝置。為了研究不同脈沖參數對生物體的作用．要求脈沖的幅值、寬度和頻率在一定范圍內可調，因此高壓脈沖源基于全固態(tài)剛管調制技術(shù)實(shí)現并由直流高壓電源、串聯(lián)IGBT調制開(kāi)關(guān)和控制系統三部分組成?；?051微控制器的高壓脈沖源控制系統具有設計簡(jiǎn)單，電路可靠的優(yōu)點(diǎn)。但其程序設計一般為前后臺系統，實(shí)時(shí)性較差，從而使輸出脈沖波形穩定性不能滿(mǎn)足實(shí)驗要求。本文基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統Small RTOS51進(jìn)行程序設計，以及優(yōu)化的采樣信號濾波算法，使該高壓脈沖源輸出電壓精度穩定達到0．1％。從而能可靠地用于生物效應實(shí)驗。

1 硬件設計
電致生物效應高壓脈沖源要求產(chǎn)生500～5 000 V寬范圍的脈沖高壓輸出，控制系統管理高壓脈沖源所有組件的工作，是實(shí)現高可靠性的核心?？刂葡到y的主要功能是：不斷掃描鍵盤(pán)獲取電源工作參數／命令，根據設置的參數和不斷采樣的負載電壓值控制高壓脈沖電壓幅值，從而使電源以預定電壓恒壓輸出；采樣初級開(kāi)關(guān)電源狀態(tài)，用以實(shí)時(shí)計算電源輸出功率，以保護實(shí)現對象；實(shí)時(shí)在點(diǎn)陣式彩色圖形液晶屏上顯示電源的工作狀態(tài)。高壓脈沖源原理如圖1所示。

控制系統的硬件主要由控制核心、脈寬調制模塊、電壓控制與采樣模塊、鍵盤(pán)和顯示模塊、掉電數據保存模塊組成?？刂葡到y結構框圖如圖2所示。

1．1 電壓輸出控制與采樣模塊
當高壓脈沖輸出時(shí)，控制系統不斷采樣輸出電壓幅值，并與設定值進(jìn)行比較，根據比較結果調整初級高壓開(kāi)關(guān)電源的輸出。輸出電壓采樣的準確性和初級高壓開(kāi)關(guān)電源輸出控制精度是實(shí)現高壓脈沖精確穩定輸出的關(guān)鍵?；贛AX526和MAX197可實(shí)現12位分辨率的輸出控制與采樣。為了減少高壓脈沖源初級開(kāi)關(guān)電源引起的高頻干擾對電壓控制與采樣電路的影響，除了對地線(xiàn)進(jìn)行合理布線(xiàn)外，對MAX526，MAX197的數字電壓源串聯(lián)5 Ω電阻進(jìn)行電源濾波。MAX526，MAX197外圍電路如圖3所示。

1．2 脈寬調制模塊
電致生物效應源需要頻率1～500 Hz，脈寬1～200 μs連續可調PWM信號控制高壓脈沖輸出。實(shí)現該PWM信號可以利用8051單片機自帶的計數器，但是考慮到程序設計基于Small RTOS51，和大多數嵌入式操作系統一樣，Small RTOS51會(huì )頻繁關(guān)閉所有中斷以保護系統的關(guān)鍵代碼執行，這會(huì )造成基于軟件生成的PWM信號精度較低，因此，本設計采用8254級聯(lián)方式實(shí)現該PWM信號。
8254有3個(gè)獨立的16位減法計數通道，使用單-5 V電源，最大計數頻率10 MHz，使用級聯(lián)方式可使計數器0、2使用同一個(gè)1 MHz外部晶振，計數器2工作方式3，計數值固定為20，以產(chǎn)生50 kHz方波，該方波信號作為計數器1時(shí)鐘，計數器1計數值為頻率值，產(chǎn)生1～500 Hz頻率可調方波，計數器0工作在方式1，計數值為脈寬值，計數器1輸出的1～500 Hz信號作為門(mén)控，實(shí)現1～500 Hz，1～200μs的連續輸出。8254外圍電路如圖4所示。