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淺談基于C8051F340的低頻超聲透皮儀應(yīng)用設(shè)計(jì)案例

作者: 時(shí)間:2012-04-23 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

經(jīng)皮給藥系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域已成為一種新興和重要的手段。經(jīng)皮給藥是藥物通過皮膚并經(jīng)毛細(xì)血管吸收進(jìn)入體循環(huán)產(chǎn)生藥效的一種方法,它可避免肝臟的首過效應(yīng),延長(zhǎng)半衰期較短藥物的治療效果,能較長(zhǎng)時(shí)間維持恒定的速率給藥等,因此正受到廣泛的關(guān)注。實(shí)際上早在1954年Fellinger。和Schmidt就通過超聲導(dǎo)入氫化可的松藥膏成功地治療了手指多發(fā)性關(guān)節(jié)炎。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/199214.htm

最初對(duì)超聲增透效應(yīng)的研究開始于中頻治療用超聲(0.7~3.0 MHz),但后來發(fā)現(xiàn)超聲的增透效應(yīng)最好。研究表明不同頻率和強(qiáng)度超聲波對(duì)機(jī)體的作用是不同的。

其次,溫度對(duì)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?yàn)槌曇灿袩嵝?yīng);

因此,如何把各個(gè)因素綜合考慮以達(dá)到既保證較高的滲透率又避免對(duì)人體產(chǎn)生灼傷及生理機(jī)能的損傷是研究的難點(diǎn)之一。

單片機(jī)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)揮著極其重要的作用。醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)和研制也越來越多應(yīng)用單片機(jī)技術(shù),使其朝著智能化,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(jī)作為核心控制芯片的輸頻率、強(qiáng)度等可調(diào),可控恒溫的超聲波促透皮系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括:溫度測(cè)控模塊、功率超聲發(fā)生器、恒溫控制模塊、過流保護(hù)模塊、顯示模塊和掉電存儲(chǔ)模塊??傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)各部分的工作是由高性能單片機(jī)來進(jìn)行控制協(xié)調(diào)的。它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。單片機(jī)是集成在一塊芯片上的混合系統(tǒng)級(jí)單片機(jī)。

具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核,采用了流水線指令結(jié)構(gòu),其運(yùn)行速度最高可達(dá)48 MIPS,與標(biāo)準(zhǔn)的8051相比,在相同時(shí)鐘下單周期指令運(yùn)行速度為原來的12倍。并且,它在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)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(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus/I2C、UART、SPI、USB可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)、定時(shí)器、I/O端口、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時(shí)器及電源監(jiān)視器等幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。通過對(duì)C8051F340的編程,可以實(shí)現(xiàn)多種功能。

該系統(tǒng)利用鍵盤輸入電路獲得操作人員對(duì)各部分工作條件的要求,根據(jù)這些要求對(duì)加熱絲以及超聲發(fā)射進(jìn)行設(shè)置,同時(shí)在每次測(cè)控過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(bào)警電路發(fā)出報(bào)警。對(duì)溫度的控制采用調(diào)功方式控制電爐絲加熱使得實(shí)驗(yàn)過程中保持溫度恒定,包括溫度的讀取、溫度值的處理及輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

1.1 溫度測(cè)控模塊

該系統(tǒng)溫度傳感器采用PT100鉑電阻溫度傳感器,它具有線性度好,測(cè)量范圍寬,靈敏度高,無需參考點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。利用鉑電阻的溫度電阻特性,將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。然后經(jīng)過前置放大后送入到單片機(jī)內(nèi)12位開關(guān)電容逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)化器,完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換。在電子測(cè)量系統(tǒng)中,需要檢測(cè)大量的電量或非電量信息,而且檢測(cè)的電信號(hào)又非常的微弱,極易受到干擾。

因此,對(duì)前置級(jí)獲取信號(hào)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(shù)要求?;谝陨显瓌t前置放大器選用美國(guó)BURR-BROWN公司生產(chǎn)的低電壓通用型雙通道儀表放大器INA2128,它除了滿足以上要求外,并可用一個(gè)外部電阻方便地從1~100 000設(shè)定增益,使得INA2128能夠廣泛應(yīng)用于信號(hào)采集放大。醫(yī)用儀器及多通道系統(tǒng)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(gòu)成的溫度檢測(cè)和前置放大如圖2所示。

溫度檢測(cè)和前置放大

溫度檢測(cè)和前置放大

DINA2128內(nèi)部是由過壓保護(hù)電路和三運(yùn)放組成的性能優(yōu)越的測(cè)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(hào)從兩個(gè)同相端輸入,使輸入阻抗高大10 MΩ以上。第二級(jí)又采用差動(dòng)輸入,在運(yùn)放參數(shù)和R5嚴(yán)格對(duì)稱時(shí),電路具有很高的共模抑制能力和低溫漂。

上式表明:該電路可以通過調(diào)節(jié)RG進(jìn)行增益的控制。

1.2 超聲波產(chǎn)生控制模塊

超聲波產(chǎn)生模塊主要是由PWM驅(qū)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,并通過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)換能器產(chǎn)生相同頻率的彈性振動(dòng)。該系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電路采用芯片IR2112來實(shí)現(xiàn)。

IR2112是IR公司生產(chǎn)的大功率MOSFET、和IGBT專用集成驅(qū)動(dòng)電路。該芯片具有兩個(gè)獨(dú)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(dú)立也可以共用一個(gè)電源。其工作頻率最高可達(dá)500 kHz,關(guān)斷和延遲時(shí)間很短。IR2112輸出采用圖騰柱結(jié)構(gòu),最大輸出電流可達(dá)2 A。

如圖3所示,用功率MOSFET構(gòu)成PWM逆變器,用單片機(jī)作為信號(hào)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(fù)載實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

超聲波驅(qū)動(dòng)電路

超聲波驅(qū)動(dòng)電路

圖3中VD1,C1為自舉二極管和自舉電容,VD1必須使用與功率開關(guān)管相同耐壓等級(jí)的快恢復(fù)二極管,自舉電容設(shè)計(jì)也至關(guān)重要,C1的耐壓比功率器件充分導(dǎo)通時(shí)所需的驅(qū)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)來選取:

式中:自舉電容C1

Qg為MOSFET的門極電荷。

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

而控制電路主要由單片機(jī)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路組成。單片機(jī)系統(tǒng)通過自身的PWM驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生頻率為28 kHz的方波,并將該信號(hào)送入IR2112驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離放大后推動(dòng)功率MOSFET工作。用半橋式逆變開關(guān)電路作為超聲波發(fā)生器的功放電路,MOSFET1、MOSFET2輪流導(dǎo)通,在變壓器的副邊可以得到一個(gè)交變的激勵(lì)信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)逆變的功能。而由R3,C4,D1構(gòu)成的吸收電路,吸收了功率開關(guān)引入的尖峰脈沖,保護(hù)功率開關(guān)管。

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目的是經(jīng)過半橋逆變得到的功率最大限度的轉(zhuǎn)化為超聲波換能器的能量和確保電路工作穩(wěn)定。同時(shí)為了防止系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)對(duì)人體造成危害和損壞功率MOSFET器件,在系統(tǒng)中加入了過流保護(hù)電路。

2 軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)采用基于C語言的模塊化程序設(shè)計(jì)的方案,具有可維護(hù)性高、升級(jí)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、鍵盤及LCD顯示程序、E2PROM讀寫程序,軟件流程圖如圖4所示。

軟件流程圖

軟件流程圖

主要程序包括:數(shù)據(jù)處理,采樣溫度數(shù)據(jù),并進(jìn)行上下限報(bào)警和處理;PID計(jì)算,對(duì)偏差進(jìn)行PID算法處理,并輸出控制脈沖信號(hào),脈沖寬度由T0定時(shí)器決定;晶閘管導(dǎo)通控制,利用PID計(jì)算得出的控制脈沖信號(hào)來控制晶閘管的通斷比,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的恒溫控制;液晶的顯示和鍵盤掃描和處理程序。

3 結(jié) 語

超聲給藥的諸優(yōu)點(diǎn),已成為經(jīng)皮給藥的一種極具潛力的方式。該系統(tǒng)通過控制溫度、頻率和強(qiáng)度等多種因素來促進(jìn)經(jīng)皮給藥的滲透性。同時(shí),與單片機(jī)結(jié)合組成的嵌入式系統(tǒng)使醫(yī)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(jī)C8051F340的透皮給藥系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、恒溫閉環(huán)控制、工作模式可選、輸出全調(diào)、LCD動(dòng)態(tài)顯示、掉電保護(hù)等功能。整個(gè)系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)室標(biāo)測(cè)中均表現(xiàn)出顯著的效果和極好的實(shí)測(cè)值。

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