低頻超聲透皮儀設計方案探討

引 言

　　研究表明不同頻率和強度超聲波對機體的作用是不同的，其次，溫度對于經(jīng)皮給藥也有一定的影響，如一定的溫度可以提高滲透率，但太高的溫度會(huì )引起皮膚的燙傷，因為超聲也有熱效應;因此，如何把各個(gè)因素綜合考慮以達到既保證較高的滲透率又避免對人體產(chǎn)生灼傷及生理機能的損傷是研究的難點(diǎn)之一。

　　單片機作為智能控制芯片，在電子信息、自動(dòng)控制的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)極其重要的作用。醫療儀器的設計和研制也越來(lái)越多應用單片機技術(shù)，使其朝著(zhù)智能化，小型化方向發(fā)展。綜合考慮各種因素，在此介紹了一種采用高性能單片機C8051F340作為核心控制芯片的輸頻率、強度等可調，可控恒溫的低頻超聲波促透皮系統。

　　1 硬件設計

　　該系統包括：溫度測控模塊、功率超聲發(fā)生器、恒溫控制模塊、過(guò)流保護模塊、顯示模塊和掉電存儲模塊?？傮w結構如圖1所示。

　　系統各部分的工作是由高性能單片機C8051F340來(lái)進(jìn)行控制協(xié)調的。它是整個(gè)系統的核心。C8051F340單片機是集成在一塊芯片上的混合系統級單片機。具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核，采用了流水線(xiàn)指令結構，其運行速度最高可達48 MIPS，與標準的8051相比，在相同時(shí)鐘下單周期指令運行速度為原來(lái)的12倍。并且，它在一個(gè)芯片內集成了構成一個(gè)單片機數據采集或控制系統所需要的功能部件;模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、USB可編程計數器/定時(shí)器陣列(PCA)、定時(shí)器、I/O端口、內部振蕩器、看門(mén)狗定時(shí)器及電源監視器等幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件。通過(guò)對C8051F340的編程，可以實(shí)現多種功能。

　　該系統利用鍵盤(pán)輸入電路獲得操作人員對各部分工作條件的要求，根據這些要求對加熱絲以及超聲發(fā)射進(jìn)行設置，同時(shí)在每次測控過(guò)程中將各部分的溫度值送LCD進(jìn)行顯示，并進(jìn)行越限判斷，在溫度越限時(shí)啟動(dòng)報警電路發(fā)出報警。對溫度的控制采用調功方式控制電爐絲加熱使得實(shí)驗過(guò)程中保持溫度恒定，包括溫度的讀取、溫度值的處理及輸出信號驅動(dòng)負載。

　　1.1 溫度測控模塊

　　該系統溫度傳感器采用PT100鉑電阻溫度傳感器，它具有線(xiàn)性度好，測量范圍寬，靈敏度高，無(wú)需參考點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。利用鉑電阻的溫度電阻特性，將溫度信號直接轉化為電信號。然后經(jīng)過(guò)前置放大后送入到單片機內12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近型A/D轉化器，完成模/數轉換。在電子測量系統中，需要檢測大量的電量或非電量信息，而且檢測的電信號又非常的微弱，極易受到干擾。因此，對前置級獲取信號的放大，提出如下要求：高輸入阻抗、高共模抑制比、低漂移、低噪聲、低輸出電阻等參數要求?；谝陨显瓌t前置放大器選用美國B(niǎo)URR-BROWN公司生產(chǎn)的低電壓通用型雙通道儀表放大器INA2128，它除了滿(mǎn)足以上要求外，并可用一個(gè)外部電阻方便地從1～100 000設定增益，使得INA2128能夠廣泛應用于信號采集放大。醫用儀器及多通道系統等很多領(lǐng)域，可以在低至的+2.25 V電源電壓下工作，并且靜態(tài)工作電流很少。它與Pt100構成的溫度檢測和前置放大如圖2所示。

　　INA2128內部是由過(guò)壓保護電路和三運放組成的性能優(yōu)越的測量放大器;A1和A2組成雙端輸入/雙端輸出的差動(dòng)放大器，由于信號從兩個(gè)同相端輸入，使輸入阻抗高大10 MΩ以上。第二級又采用差動(dòng)輸入，在運放參數和R5嚴格對稱(chēng)時(shí)，電路具有很高的共模抑制能力和低溫漂?！　?/p>

　　上式表明：該電路可以通過(guò)調節RG進(jìn)行增益的控制。

　　超聲波產(chǎn)生模塊主要是由PWM驅動(dòng)電路、半橋式逆變電路和阻抗匹配電路三部分組成。電路的作用是將直流電流變成超生波振蕩電流，并通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )激勵換能器產(chǎn)生相同頻率的彈性振動(dòng)。該系統中驅動(dòng)電路采用芯片IR2112來(lái)實(shí)現。IR2112是IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET、和IGBT專(zhuān)用集成驅動(dòng)電路。該芯片具有兩個(gè)獨立的高低端通道，其中高端通道可采用自舉電路，最高可承受500 V電壓。兩通道輸出的電壓范圍為10～20 V，IR2112邏輯電源和功率電源即可以相互獨立也可以共用一個(gè)電源。其工作頻率最高可達500 kHz，關(guān)斷和延遲時(shí)間很短。IR2112輸出采用圖騰柱結構，最大輸出電流可達2 A。

　　如圖3所示，用功率MOSFET構成PWM逆變器，用單片機作為信號源，產(chǎn)生頻率為20～38 kHz的方波、2.5～3 W/cm2的功率;阻抗匹配使超聲電源向換能器負載實(shí)現最大功率傳輸。圖3中VD1，C1為自舉二極管和自舉電容，VD1必須使用與功率開(kāi)關(guān)管相同耐壓等級的快恢復二極管，自舉電容設計也至關(guān)重要，C1的耐壓比功率器件充分導通時(shí)所需的驅動(dòng)電壓(典型值為10 V)高。若在C1的充電路徑上有1.5 V的壓降，且假定有一半的柵壓因泄露而降低，則自舉電容C1可按式(4)來(lái)選?。?/p>

　　式中：Qg為MOSFET的門(mén)極電荷。

　　工程應用上一般取C1>2Qg/(VCC-10-1.5)，且應選取容量穩定，耐脈沖電流的無(wú)感電容。

　　而控制電路主要由單片機系統和驅動(dòng)電路組成。單片機系統通過(guò)自身的PWM驅動(dòng)電路產(chǎn)生頻率為28 kHz的方波，并將該信號送入IR2112驅動(dòng)電路進(jìn)行隔離放大后推動(dòng)功率MOSFET工作。用半橋式逆變開(kāi)關(guān)電路作為超聲波發(fā)生器的功放電路，MOSFET1、MOSFET2輪流導通，在變壓器的副邊可以得到一個(gè)交變的激勵信號，從而實(shí)現逆變的功能。而由R3，C4，D1構成的吸收電路，吸收了功率開(kāi)關(guān)引入的尖峰脈沖，保護功率開(kāi)關(guān)管。

　　阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )的設計目的是經(jīng)過(guò)半橋逆變得到的功率最大限度的轉化為超聲波換能器的能量和確保電路工作穩定。同時(shí)為了防止系統發(fā)生故障時(shí)對人體造成危害和損壞功率MOSFET器件，在系統中加入了過(guò)流保護電路。

　　2 軟件設計

　　程序設計采用基于C語(yǔ)言的模塊化程序設計的方案，具有可維護性高、升級方便。整個(gè)程序分為：主程序、溫度閉環(huán)控制程序(PID)、PWM產(chǎn)生程序、鍵盤(pán)及LCD顯示程序、E2PROM讀寫(xiě)程序，軟件流程圖如圖4所示。

　　主要程序包括：數據處理，采樣溫度數據，并進(jìn)行上下限報警和處理;PID計算，對偏差進(jìn)行PID算法處理，并輸出控制脈沖信號，脈沖寬度由T0定時(shí)器決定;晶閘管導通控制，利用PID計算得出的控制脈沖信號來(lái)控制晶閘管的通斷比，從而實(shí)現對溫度的恒溫控制;液晶的顯示和鍵盤(pán)掃描和處理程序。

　　3 結 語(yǔ)

　　該系統通過(guò)控制溫度、頻率和強度等多種因素來(lái)促進(jìn)經(jīng)皮給藥的滲透性。同時(shí)，與單片機結合組成的嵌入式系統使醫療儀器智能化、多功能化、小型化。并且，這里介紹的基于高性能單片機C8051F340的透皮給藥系統還可實(shí)現過(guò)流保護、恒溫閉環(huán)控制、工作模式可選、輸出全調、LCD動(dòng)態(tài)顯示、掉電保護等功能。

.