電致生物效應高壓脈沖源控制系統(tǒng)設計

1．3 鍵盤、顯示與數(shù)據(jù)掉電保存模塊
電致生物效應源的操作界面由1×5鍵盤和65536真彩色圖形智能液晶顯示器件組成。5個按鍵直接用單片機的IO口掃描獲得鍵值。液晶器件內(nèi)置了32位ARM處理器和RS232串口，這樣可以與任何具有串口功能的MPU方便連接，適合產(chǎn)品的快速開發(fā)。
掉電數(shù)據(jù)保存芯片除了保存用戶參數(shù)外，也用于程序的中間變量存儲。EEPROM芯片是常用的低成本掉電數(shù)據(jù)保存芯片，但其存取速度太慢，會占用MPU過多時間，降低RTOS的實時性，因而系統(tǒng)采用自帶鋰電池與電池管理功能的NVRAM芯片DS1220，其每次數(shù)據(jù)存取時間為50 μs。

2 軟件設計
Small RTOS51是專為51單片機開發(fā)的占先式嵌入式內(nèi)核，提供消息隊列、信號量、中斷管理等基本服務，功能滿足大多數(shù)工程項目應用。基于RTOS的程序設計可以保證電致生物效應高壓脈沖源輸出的穩(wěn)定性。
2．1 程序架構(gòu)設計
電致生物效應高壓脈沖源控制系統(tǒng)程序共分4個任務。優(yōu)先級從高到低依次為：鍵盤處理任務、初級開關(guān)電源狀態(tài)監(jiān)測與顯示任務、與液晶顯示器件通信任務、系統(tǒng)運行與系統(tǒng)狀態(tài)顯示任務。任務與RTOS內(nèi)核、中斷關(guān)系如圖5所示。

2．2 軟件濾波算法
以高頻開關(guān)電源為初級能源的高壓脈沖電源的輸出采樣信號將不可避免地出現(xiàn)各種高頻隨機干擾信號，即使以低通濾波電路進行處理后，該采樣信號仍然存在許多毛刺，如圖6所示。

因此，必須采用軟件濾波才能得到準確的采樣信號。在高頻隨機干擾嚴重的情況下常用的是中位值濾波算法，但該算法的缺點是靈敏度較差。因此，本文提出了一種改進的中位值平均濾波算法。其基本原理是：每組采樣N個數(shù)據(jù)，對N個數(shù)據(jù)排序后去除最大的兩個值和最小的兩個值，對剩余的(N-4)個值求平均，該平均值作為最終的采樣結(jié)果。在本文中，N=10。按照該算法，對上圖信號進行采樣，采樣值最大為4．01 V，最小為3．99 V，抖動極差±0．01 V，并以3次最小二乘法進行數(shù)值模擬，如圖7所示。可見，該算法可有效濾出高頻隨機干擾信號，并具有較高的靈敏度。

3 結(jié)論
大多數(shù)基于高頻開關(guān)電源為初級能源的高壓脈沖源輸出精度及穩(wěn)定性達不到生物效應實驗要求。實現(xiàn)高精度和穩(wěn)定性的核心在于控制系統(tǒng)的設計，抗干擾能力強且具備較高靈敏度的采樣算法是解決問題的關(guān)鍵。本文基于RTOS進行程序設計，并提出了一種改進的采樣信號濾波算法，與傳統(tǒng)中位值濾波算法相比，使電源輸出脈沖精度和系統(tǒng)的可靠性得到提高。實測表明在長時間連續(xù)工作時輸出精度保持為0．1％，能可靠用于生物效應實驗。