低頻超聲透皮儀設(shè)計(jì)方案

　　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(guò)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(lái)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。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(lái)選取：

　　式中：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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(yǔ)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。

　　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(lái)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(yǔ)

　　該系統(tǒng)通過(guò)控制溫度、頻率和強(qiáng)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(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(guò)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。