摘  要： 介紹了一種基于恒流驅(qū)動(dòng)電路LM3402的新型LED無(wú)影燈控制系統(tǒng)，分析了恒流驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)成以及微處理器的控制方法,。該系統(tǒng)基于高亮度白光LED陣列,，由一個(gè)LM3402控制一組發(fā)光二極管，根據(jù)設(shè)定的照度,，微處理器P89LPC932通過(guò)脈寬調(diào)制進(jìn)行恒流控制,。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能夠滿足手術(shù)無(wú)影燈的各項(xiàng)要求,，工作穩(wěn)定可靠,，而且提高了無(wú)影燈的使用性能，降低了功耗,。
關(guān)鍵詞： 手術(shù)無(wú)影燈,；高亮度LED陣列；微處理器,； 脈寬調(diào)制

   無(wú)影燈是用來(lái)照明外科手術(shù)部位不可缺少的重要設(shè)備,，要求能以最佳地觀察處于切口和體腔中不同深度、大小,、對(duì)比度低的物體,。因此，除需要“無(wú)影”以外,，還需要光照度均勻,、光質(zhì)好，能夠很好地區(qū)分血液與人體其他組織,、臟器的色差,。此外，無(wú)影燈還須能長(zhǎng)時(shí)間地持續(xù)工作,，而不散發(fā)出過(guò)量的熱,，因?yàn)檫^(guò)熱會(huì)使手術(shù)者不適，也會(huì)使處在外科手術(shù)區(qū)域中的組織干燥[1],。
　目前手術(shù)燈一般都采用環(huán)形節(jié)能燈或鹵素?zé)?，但隨著發(fā)光二極管LED技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是高亮度白光LED的發(fā)展,，LED無(wú)影燈徹底解決了環(huán)形節(jié)能燈自身存在的先天缺陷,，是環(huán)形節(jié)能燈的升級(jí)換代產(chǎn)品,。目前，LED無(wú)影燈的優(yōu)越性逐漸被顯微鏡使用者所了解和接受,，使用成本亦較環(huán)形節(jié)能燈低,，減少了每1~2個(gè)月就需更換環(huán)形燈管的麻煩。
    目前,，在技術(shù)上已成功解決了大功率LED的封裝,、恒流驅(qū)動(dòng)、散熱以及照度控制等問(wèn)題,，可實(shí)現(xiàn)無(wú)影燈照度的多級(jí)調(diào)控,，調(diào)光靈活、方便,。LED無(wú)影燈的優(yōu)點(diǎn)有[1-2]：
    (1)出色的冷光效果：采用新型的LED冷光源作為手術(shù)照明,，是真正冷光源，醫(yī)生頭部和傷口區(qū)域幾乎無(wú)溫升,。
    (2)光質(zhì)好：白光LED具有區(qū)別于普通手術(shù)用無(wú)影燈光源的色品特點(diǎn),，可以增加血液與人體其他組織、臟器的色差,，使得手術(shù)中醫(yī)生的視覺(jué)更加清晰,，在流淌、滲透的血液中人體的各個(gè)組織,、臟器更容易被區(qū)分出來(lái),，這是普通手術(shù)用無(wú)影燈所不具備的。
    (3)亮度無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)：采用數(shù)字方式無(wú)級(jí)調(diào)控LED的亮度,，操作者可根據(jù)自身對(duì)亮度的適應(yīng)性隨意調(diào)節(jié)亮度,，使其達(dá)到最為理想的舒適度，使長(zhǎng)時(shí)間工作的眼睛不易產(chǎn)生疲勞感,。
    (4)無(wú)頻閃：因?yàn)長(zhǎng)ED無(wú)影燈為純直流供電,，無(wú)頻閃，不易使眼睛產(chǎn)生疲勞感,，亦不會(huì)對(duì)工作區(qū)域的其他設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾,。
    (5)光照度均勻：采用特殊的光學(xué)系統(tǒng)，360°均勻照射在被觀察物體上,，無(wú)虛影產(chǎn)生,，清晰度高,。
    (6)壽命長(zhǎng)：LED無(wú)影燈平均壽命長(zhǎng)(35 000 h),，遠(yuǎn)大于環(huán)形節(jié)能燈(1 500~2 500 h)，壽命為節(jié)能燈的十倍以上,。
    (7)節(jié)能環(huán)保：LED具有較高的發(fā)光效率,，耐沖擊，不易破碎、無(wú)汞污染,，且其發(fā)出的光不含紅外和紫外成分的輻射污染,。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 總體結(jié)構(gòu)
   由于單個(gè)LED的發(fā)光效率不能滿足手術(shù)無(wú)影燈的光照強(qiáng)度和均勻性的要求，因此需要用多個(gè)LED組成陣列,，并要求排列合理,分布均勻,，使得每個(gè)目標(biāo)平面的光照度符合要求，以此來(lái)決定LED的數(shù)量以及分布規(guī)則,。雖然LED的發(fā)光效率高,，產(chǎn)生的熱量少，但是如此多的LED在一個(gè)密封的箱體內(nèi),，還是會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,，溫度甚至?xí)哌_(dá)60℃~80℃，所以必須合理設(shè)計(jì)散熱器以及散熱通道,，以有效地降低系統(tǒng)熱阻,。
    LED手術(shù)無(wú)影燈由多個(gè)燈頭組成，成花瓣?duì)?，固定在平衡臂懸掛系統(tǒng)上,，定位穩(wěn)定，能做垂直或循環(huán)移動(dòng),，可滿足手術(shù)中不同高度和角度的需求,。整個(gè)無(wú)影燈有144個(gè)高亮度白色LED，8個(gè)串聯(lián)成一組,，即稱為高亮度發(fā)光二極管串HBLEDs(High Brightness Lighting Emitting Diode),，以18組并聯(lián)而成。每組相互獨(dú)立,，若有一組損壞,，其他照樣能夠繼續(xù)工作，所以對(duì)手術(shù)的影響較小,。每組由一個(gè)LM3402單獨(dú)進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng),，并根據(jù)用戶需要，接受一個(gè)微處理器(CMU)P89LPC932的PWM脈寬調(diào)節(jié)控制,，可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),，流過(guò)每個(gè)LED的電流約為120~320 mA。LED無(wú)影燈電氣原理圖如圖1所示,。

1.2 操作面板
    操作面板上有4個(gè)按鈕(環(huán)境照明,、關(guān)閉、調(diào)亮和調(diào)暗按鈕)和8個(gè)LED指示燈,。按下環(huán)境照明按鈕,，表示只需腔鏡環(huán)境照明,，只留下其中一路的3個(gè)LED用于照明，而關(guān)閉其余LED發(fā)光二極管串,；按下關(guān)閉按鈕,，將熄滅所有8路LED發(fā)光二極管串，再次按下此按鈕,，則可以回到原照度顯示狀態(tài),，掉電或重啟也可回到設(shè)定照度狀態(tài)；調(diào)亮和調(diào)暗按鈕用于改變無(wú)影燈的照度,，對(duì)應(yīng)8個(gè)指示燈,，指示8擋亮度，從左到右每增加一擋就增加一個(gè)指示LED點(diǎn)亮,，無(wú)影燈處于關(guān)燈狀態(tài)時(shí),，最右邊2個(gè)指示LED點(diǎn)亮。所有操作信息均是通過(guò)RS485總線傳輸給驅(qū)動(dòng)板MCU,。
1.3 驅(qū)動(dòng)板
    驅(qū)動(dòng)板是整個(gè)無(wú)影燈控制器的核心,，主要由一個(gè)MCU P89LPC932和18路LM2402恒流穩(wěn)壓電路組成，還包含RS485通信電路,。
    P89LPC932是由飛利浦公司生產(chǎn)的低功耗的MCU,，電源電壓3.3 V，可低功耗運(yùn)行,，適合于許多要求高集成度,、低成本的場(chǎng)合，可以滿足多方面的性能要求,。P89LPC932采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu),，指令執(zhí)行時(shí)間只需2~4個(gè)時(shí)鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件,。此外,，P89LPC932還集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目,、電路板面積以及系統(tǒng)的成本,，內(nèi)部有2個(gè)定時(shí)器，可作為一個(gè)具有256個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期的PWM發(fā)生器使用[3],。
    LM3402是一款由可控電流源衍生的降壓型穩(wěn)壓器,，可驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的大功率、高亮度發(fā)光二極管串,，可以接受范圍在6 V~42 V的輸入電壓,。當(dāng)使用引腳兼容的LM3402HV時(shí)，輸入電壓的上限可達(dá)到75 V,。根據(jù)手術(shù)對(duì)照度的需要,，對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以維持通過(guò)LED陣列的恒定電流水平,。圖2為L(zhǎng)M3402的典型應(yīng)用電路示意圖,，其中RSNS為電流設(shè)定電阻，平均電流IF≈0.2/RSNS,，RON取值與發(fā)光二極管串中的LED數(shù)量有關(guān),，8個(gè)LED時(shí)可取值300 kΩ。經(jīng)檢測(cè),，恒流標(biāo)稱值為250 mA時(shí)(RSNS=0.8 Ω),，電流波動(dòng)在±20 mA以內(nèi)，完全能夠滿足手術(shù)光感要求[4],。

1.4 安全措施
    考慮到醫(yī)用儀器安全要求的特殊性,，系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)該考慮采取相應(yīng)安全措施。首先,，手術(shù)室是一個(gè)具有強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境,，防止MCU死機(jī)十分重要，因此必須采取如下措施：(1)必須認(rèn)真處理硬件復(fù)位電路設(shè)計(jì)和內(nèi)部復(fù)位程序,；(2)必須排除錯(cuò)誤干擾信號(hào),，所以整個(gè)系統(tǒng)采用了完全電氣隔離，以阻止電路各部分的相互影響,。此外還采用了Modbus冗余校驗(yàn)法,；(3)高亮度白色LED的價(jià)格較高，為避免損壞,，必須排除電網(wǎng)和電源損壞對(duì)系統(tǒng)的影響,，故本文采用了過(guò)壓和過(guò)流自動(dòng)保護(hù)電路，當(dāng)電壓或電流超過(guò)設(shè)定值的20%時(shí),，系統(tǒng)自動(dòng)切斷電源,，以保證系統(tǒng)電路和高亮度LED的安全。
2 程序設(shè)計(jì)
2.1 程序結(jié)構(gòu)
    程序主要包含面板控制器和驅(qū)動(dòng)板兩個(gè)獨(dú)立程序,。面板控制器程序根據(jù)4個(gè)按鈕的輸入狀態(tài),，向驅(qū)動(dòng)板發(fā)送開(kāi)關(guān)或照度調(diào)節(jié)命令，并將命令狀態(tài)在8個(gè)LED上顯示出來(lái),。驅(qū)動(dòng)板程序初始化以后,，主要通過(guò)串行口接收中斷接收操作信息，進(jìn)行Modbus數(shù)據(jù)冗余校驗(yàn)后,，根據(jù)命令指示,，發(fā)出不同的PWM信號(hào)。驅(qū)動(dòng)板程序流程框圖如圖3所示,。

2.2 PWM發(fā)生
    高亮度發(fā)光二極管串的電流主要通過(guò)對(duì)LM3402的DIM端口進(jìn)行PWM調(diào)節(jié),，實(shí)際電流占設(shè)定電流值的比例取決于PWM的占空比(duty cycle),。P89LPC932內(nèi)部定時(shí)器T0/T1的PWM輸出與計(jì)數(shù)輸入和定時(shí)器觸發(fā)輸出占用相同的管腳，發(fā)生定時(shí)器溢出時(shí)自動(dòng)觸發(fā)端口輸出,。此功能通過(guò)AUXR1寄存器中的控制位ENT0和ENT1分別使能定時(shí)器0和1,。該模式打開(kāi)時(shí)，在首次定時(shí)器溢出前端口的輸出為邏輯1,。為了使該模式生效,，必須清零C/T位以選擇PCLK作為定時(shí)器的時(shí)鐘源。定時(shí)器初始化設(shè)置參考程序如下：
    void Timer1_init(void)
    {
        TMOD|=0x20,； //定時(shí)器工作于方式6
        TAMOD|=0x10,；
        TH1=256-n； //n為占空比
        AUXR1|=0x20,； //定時(shí)器使能
        TR1=1,；    //啟動(dòng)定時(shí)器
    }
其中占空比duty cycle=256-TH1，定時(shí)器1的溢出將使P1.2或P0.7端口發(fā)生翻轉(zhuǎn),，因此輸出頻率為定時(shí)器1溢出速率的1/2,。
2.3 節(jié)能模式
    能耗控制在整個(gè)無(wú)影燈控制系統(tǒng)中具有十分重要的意義。在多數(shù)時(shí)間,，HBLEDs處于熄滅狀態(tài),，控制系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，將功耗降低到最低,。將電源控制寄存器PCONA設(shè)置為0xFF時(shí),，外部功能模塊掉電；將電源控制寄存器PCON設(shè)置為03H時(shí),，可將MCU處于完全掉電狀態(tài),，只有在中斷觸發(fā)的時(shí)候，才能喚醒,，隨即給外部功能模塊上電,，MCU開(kāi)始工作。驅(qū)動(dòng)板上的MCU由串行口接收中斷喚醒,，面板上的MCU通過(guò)鍵盤(pán)中斷喚醒,，鍵盤(pán)中斷參考程序如下：
    void     KEY_ISR( ) interrupt 7
    {
    　　  key_push=1；    //有鍵按下標(biāo)志
    　　  PCONA=0x00,；  //外部功能模塊上電
    　　  KBCON=0x00,；  //清除鍵盤(pán)中斷標(biāo)志
    }
    中國(guó)每年無(wú)影燈的市場(chǎng)需求量在2萬(wàn)臺(tái)以上，同時(shí)因低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求,，需要進(jìn)行節(jié)能改造,，所以LED無(wú)影燈的市場(chǎng)推廣前景十分廣闊。本文所介紹的LED無(wú)影燈技術(shù)，目前已經(jīng)在江蘇某知名醫(yī)療器械公司投入批量生產(chǎn),，取得了良好的社會(huì)效益,。
參考文獻(xiàn)
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