TOP6 解讀STM32高功率激光醫(yī)療儀控制電路

　　高功率激光醫(yī)療儀市場(chǎng)需求越來(lái)越大，而目人機(jī)交互模塊前國(guó)內(nèi)此類設(shè)備在控制上缺乏對(duì)系統(tǒng)安全和出光精準(zhǔn)度的考慮。同時(shí)隨著YY0505-2012 醫(yī)用電氣電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)于2014 年的執(zhí)行，設(shè)計(jì)符合YY0505-2012 標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)用設(shè)備已迫在眉睫。因此，本文采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種基于STM32 的2μm光纖激光器醫(yī)療儀控制系統(tǒng)，將水冷單元的參數(shù)監(jiān)控、電源模塊的抗干擾設(shè)計(jì)、輸出功率的校準(zhǔn)等集成于一體。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，操作方便。

　　系統(tǒng)硬件以STM32F107VCT6 為核心，硬件框圖如圖2 所示。精密水冷單元的參數(shù)監(jiān)控包括高低水位、水流量、水壓力、水溫的監(jiān)測(cè)；以觸摸屏為主的人機(jī)交互模塊集成了出光指示燈、鑰匙開(kāi)關(guān)、急停、啟動(dòng)、腳踏、門(mén)控等外部硬件控制；配電模塊集成了繼電器驅(qū)動(dòng)電路和電磁兼容設(shè)計(jì)。其中，水冷單元、光纖激光器、觸摸屏和音效合成模塊分別通過(guò)RS232 與主控制器通信。

　　圖2 系統(tǒng)硬件框圖

　　配電模塊電路設(shè)計(jì)

　　為實(shí)現(xiàn)高可靠性，配電模塊電路采用冗余設(shè)計(jì)，每路繼電器驅(qū)動(dòng)電路控制兩個(gè)固態(tài)繼電器。以圖3 所示激光器的繼電器驅(qū)動(dòng)電路為例，U5、U6 代表兩個(gè)繼電器，輸出端分別串聯(lián)到電源的零線和火線上，實(shí)現(xiàn)同開(kāi)同斷，避免某一個(gè)繼電器發(fā)生故障時(shí)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。每路信號(hào)除通過(guò)I/O 控制外，急停信號(hào)也對(duì)繼電器可控，達(dá)到軟件和硬件同時(shí)急停的目的。選用的急停按鈕是常閉型，高電平有效，當(dāng)急停觸發(fā)時(shí)，Q3 不導(dǎo)通，致9 引腳電平拉低，再與I/O 信號(hào)經(jīng)過(guò)與門(mén)，輸出也為低電平，致Q4 不導(dǎo)通，繼電器處于開(kāi)路狀態(tài)，電源斷路。

　　另外，電路一方面在STOP 和I/O 信號(hào)接口處接入5V 瞬態(tài)抑制管，以防止靜電積累損壞器件；另一方面在Q4 導(dǎo)通時(shí)D3 點(diǎn)亮作為電路工作狀態(tài)指示，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)方便故障排查。

　　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(zhǎng)度1W 連續(xù)可調(diào)，可通過(guò)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(guò)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(cè)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)。

　　ISD2560 是ISD 系列單片語(yǔ)音錄放集成電路的一種，是一種永久記憶型錄放語(yǔ)音電路，錄音時(shí)間為60 秒，能重復(fù)錄放達(dá)10 萬(wàn)次。它采用直接電平存儲(chǔ)技術(shù)，省去了A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器。ISD2560 集成度高，內(nèi)部包括前置放大器、內(nèi)部時(shí)鐘、定時(shí)器、采樣時(shí)鐘、濾波器、自動(dòng)增益控制、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器、和480KB 的EERPOM 等。內(nèi)部EERPOM存儲(chǔ)單元，均勻分為600 行，具有600 個(gè)地址單元，每個(gè)地址單元指向其中一行，每一個(gè)地址單元的地址分辨率為100MS。ISD2560 控制電平與TTL 電平兼容，接口簡(jiǎn)單，使用方便。

　　ISD2560 內(nèi)置了若干操作模式，可用最少的外圍器件實(shí)現(xiàn)最多的功能。操作模式也有地址端控制；當(dāng)最高位都為1 時(shí)，其他地址端最高就選擇某個(gè)模式。因此操作模式和直接尋址相互排斥。操作模式可由微控制器也可有硬件實(shí)現(xiàn)。基本電路原理圖如下：錄音按下錄音鍵接地，是 PD 端、P/R 端為低電平，此時(shí)啟動(dòng)錄音；結(jié)束時(shí)松開(kāi)按鍵，單片機(jī)有讓P/R 端回到高電平，既完成一段語(yǔ)音的錄制。同樣的方法可錄取第二段、第三段等。值得注意的是，錄音時(shí)間不能超過(guò)預(yù)先設(shè)定的每段語(yǔ)音的時(shí)間。放音的操作更為簡(jiǎn)單，按下錄音鍵接高電平，使P/D 端P/R 端為低電平啟動(dòng)方音功能；結(jié)束時(shí)，松開(kāi)按鍵，即完成一段語(yǔ)音的播放。

　　采樣單片機(jī)控制語(yǔ)音芯片

　　錄音時(shí)，按下錄音鍵，單片機(jī)通過(guò)D 端口線設(shè)置語(yǔ)音段的起始地址，再使PD 端、P/R 端為低電平啟動(dòng)錄音；結(jié)束時(shí)，松開(kāi)按鍵，單片機(jī)有讓P/R 端回到高電平，即完成一段語(yǔ)音的錄制。同樣的方法可以錄取第二段、第三段等。值得注意的是，錄音時(shí)間不能超過(guò)預(yù)先設(shè)定的每段語(yǔ)音的時(shí)間。

　　放音時(shí)，根據(jù)需播放的語(yǔ)音內(nèi)容，找到相應(yīng)的語(yǔ)音段起始地址，并通過(guò)口線送出。P/R 端設(shè)為低電平，并讓/CE 端產(chǎn)生一負(fù)脈沖啟動(dòng)放音，這時(shí)單片機(jī)只需要等待ISD2560信息結(jié)束信號(hào)。信號(hào)為一負(fù)脈沖，在負(fù)脈沖的上升沿，該段語(yǔ)音才播放結(jié)束，所以單片機(jī)必須要檢測(cè)到的上升沿才能播放第二段，否則播放的語(yǔ)音就不連續(xù)。ISD2560 與單片AT89C2051 的接口電路以及外圍電路如圖所示。單片機(jī)的P1 口、P3.4 和P3.5 分別與ISD2560 的地址線相連，用以設(shè)置語(yǔ)音段的起始地址。P3.0~P3.3 用以控制錄放音狀態(tài)。P3.7 連接一按鍵，供錄音時(shí)使用。由TL7705 構(gòu)成可靠復(fù)位及電源監(jiān)視電路。

　　ISD2560 雖然提供了地址輸入線，但它的內(nèi)部信息段的地址卻無(wú)法讀出。本系統(tǒng)采用單片機(jī)來(lái)控制，不需讀出信息地址，而直接設(shè)置信息段起始地址。其實(shí)現(xiàn)方式有兩種：一是由于ISD2560的地址分辨率為100 ms，所以可用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)100 ms，然后再利用一計(jì)數(shù)器對(duì)單片機(jī)定時(shí)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為語(yǔ)音段所占用的地址單元。該方式能充分利用ISD2560內(nèi)部的E2PROM，在字段較多時(shí)可利用該方法。二是語(yǔ)音字段如果較少，則可根據(jù)每一字段的內(nèi)容多少，直接分配地址單元。一般按每1 s 說(shuō)3 個(gè)字計(jì)算，60 s 可說(shuō)180 個(gè)字，再根據(jù)ISD2560 的地址分辨率為100 ms，即可計(jì)算出語(yǔ)音段所需的地址單元數(shù)。本電路采用第二種方式。