基于STM32的2μm高功率激光醫(yī)療儀控制器

　　圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

　　3.2 激光功率自動(dòng)校準(zhǔn)算法

　　由于醫(yī)療產(chǎn)品對(duì)可靠性的特殊要求，激光輸出功率的準(zhǔn)確性必然成為衡量一臺(tái)醫(yī)療設(shè)備品質(zhì)好壞的重要參數(shù)。激光功率在光纖耦合處和光纖尾端、切口端面會(huì)產(chǎn)生衰減，如圖6所示。光纖終端功率小于用戶設(shè)置功率，尤其在設(shè)置功率小于60W時(shí)，最大偏差達(dá)63.6%。為了得到準(zhǔn)確的光纖終端功率，需要借助功率計(jì)采集終端功率并讀取與之對(duì)應(yīng)的激光器驅(qū)動(dòng)電流，然后通過插值法得到功率與電流的分析表達(dá)式，以便用戶設(shè)置每個(gè)功率參數(shù)時(shí)都能找到與之對(duì)應(yīng)的電流值。

　　圖6 校準(zhǔn)前終端采集功率與用戶設(shè)置功率關(guān)系

　　采集了16組對(duì)應(yīng)值，由于環(huán)境等因素影響采集結(jié)果，導(dǎo)致偶然誤差。為了盡可能準(zhǔn)確地得出未知點(diǎn)，相同實(shí)驗(yàn)重復(fù)4次，并將對(duì)應(yīng)值取平均。通過增加節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)來提高差值多項(xiàng)式對(duì)函數(shù)的逼近程度，由于此時(shí)高次多項(xiàng)式插值容易出現(xiàn)Runge現(xiàn)象，故采用Lagrange線性插值，把節(jié)點(diǎn)分成13段，分段采用低次多項(xiàng)式近似函數(shù)。分段節(jié)點(diǎn)處函數(shù)值如表1所示。

　　分段表達(dá)式為：

　　將各點(diǎn)分別帶入式(1)得出分段表達(dá)式：

　　表1節(jié)點(diǎn)處函數(shù)對(duì)應(yīng)值

　　隨機(jī)抽取一點(diǎn)值f(18)≈φ0(18)=1.1×18+8.1=27.9,與實(shí)際測量值f(18)=27.7比較，偏差為0.7%,符合精度要求。將式(2)寫入軟件插值函數(shù)子程序中，當(dāng)用戶設(shè)定功率時(shí)，算法先判斷該值所在區(qū)間范圍，再求出對(duì)應(yīng)電流百分比，通過串口發(fā)送到光纖激光器。經(jīng)插值算法校準(zhǔn)后，用戶設(shè)置功率與終端采集功率之間的關(guān)系如圖7所示，可知最大偏差為2.5%,較之前的63.6%有明顯改善。測試結(jié)果表明，通過此方法獲得了較準(zhǔn)確的激光輸出功率，精度控制在±1W以內(nèi)。

　　圖7 校準(zhǔn)后用戶設(shè)置功率與終端采集功率關(guān)系

　　4. 系統(tǒng)測試及結(jié)果

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于2μm高功率光纖激光器的醫(yī)療儀，以STM32為控制核心，完成了人性化的人機(jī)觸控界面功能設(shè)計(jì)、激光器的驅(qū)動(dòng)控制、精密水冷單元的參數(shù)監(jiān)控、配電模塊的抗干擾設(shè)計(jì)以及輸出功率的校準(zhǔn)。輸出功率0W或4W~80W,步進(jìn)長度1W連續(xù)可調(diào)，可通過腳踏自由切換汽化和凝血兩種功率參數(shù)輸出;溫度采集精度±0.5℃，水流量3.6L/min,符合IPG-TLR-80-WC-Y12型號(hào)光纖激光器正常工作要求。經(jīng)過功率校準(zhǔn)算法，用戶設(shè)置功率與終端采集功率的最大偏差由之前的63.6%降低到2.5%,控制精度為±1W.測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、輸出功率穩(wěn)定準(zhǔn)確、操作便利等優(yōu)點(diǎn)。