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(lái)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)C8051F340作為核心控制芯片的輸頻率,、強(qiáng)度等可調(diào)，可控恒溫的低頻超聲波促透皮系統(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(guò)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。
系統(tǒng)各部分的工作是由高性能單片機(jī)C8051F340來(lái)進(jìn)行控制協(xié)調(diào)的,。它是整個(gè)系統(tǒng)的核心,。C8051F340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(lái)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(mén)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(guò)對(duì)C8051F340 的編程,，可以實(shí)現(xiàn)多種功能。
該系統(tǒng)利用鍵盤(pán)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(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(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(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(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(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(hào)直接轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。然后經(jīng)過(guò)前置放大后送入到單片機(jī)內(nèi)12位開(kāi)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(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(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,。
INA2128內(nèi)部是由過(guò)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(chēng)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(guò)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(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(zhuān)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(kāi)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?。?br />
式中：Qg為MOSFET的門(mén)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,。
低頻超聲透皮儀中的超聲波驅(qū)動(dòng)電路
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(kāi)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(kāi)關(guān)引入的尖峰脈沖,，保護(hù)功率開(kāi)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(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(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(pán)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,。