基于STM32的2μm高功率激光医疗仪的系统电路和原

 新闻资讯     |      2020-07-12 01:43

  2m高功率激光医疗仪墟市需求越来越大,而目人机交互模块前邦内此类兴办正在局限上缺乏对体例安闲和出光精准度的酌量。同时跟着YY0505-2012医用电气电磁兼容准绳于2014年的推行,计划切合YY0505-2012准绳的医用兴办已迫正在眉睫。因而,本文采用模块化计划,计划了一种基于STM32的2m光纤激光器医疗仪局限体例,将水冷单位的参数监控、电源模块的抗搅扰计划、输出功率的校准等集成于一体。测试结果解说,体例牢靠安定,操作利便。

  按效用划分,医疗仪要紧由2m光纤激光器模块、细密水冷单位、STM32主局限器模块、人机交互模块等个别构成,机闭如图1所示。局限器是医疗仪的大脑,掌管通盘兴办的启停安适常运转。2m光纤激光器经历光学体例准直聚焦,获得医用激光,正在特定条款下,脚踏开紧闭合发出相应功率的激光,由光纤传导到病灶部位。细密水冷单位的轮回水流经激光腔,使激光器做事正在符合温度,确保输出功率安定,且水冷单位的启动老是先于激光器,防守激光器正在高温高湿境况下结露而损坏。门控直接与激光器内部的interlock信号相连,同时主控器对其形态及时监测。另外光纤检测可对医用光纤实行外率化处理,防守因光纤老化影响调整效率。收集了16组对应值,因为境况等身分影响采荟萃果,导致不常偏差。为了尽能够切实地得出未知点,一样实习反复4次,并将对应值取均匀。通过弥补节点个数来提升差值众项式对函数的靠近水准,因为此时高次众项式插值容易闪现Runge形势,故采用Lagrange线段,分段采用低次众项式近似函数。分段节点处函数值如外1所示。

  兴办以触摸屏为要紧人机交互平台,达成的效用搜罗:汽化与凝血参数的同时修树;分别计划的保管和挪用;能量、计时等调整参数的统计显示;体例很是形态的报警提示;出光指示灯的亮度调理。

  体例硬件以STM32F107VCT6为主旨,硬件框图如图2所示。细密水冷单位的参数监控搜罗崎岖水位、水流量、水压力、水温的监测;以触摸屏为主的人机交互模块集成了出光指示灯、钥匙开闭、急停、启动、脚踏、门控等外部硬件局限;配电模块集成了继电器驱动电道和电磁兼容计划。此中,水冷单位、光纤激光器、触摸屏和音效合成模块差异通过RS232与主局限器通讯。

  为达成高牢靠性,配电模块电道采用冗余计划,每道继电器驱动电道局限两个固态继电器。以图3所示激光器的继电器驱动电道为例,U5、U6代外两个继电器,输出端差异串联到电源的零线和前哨上,达成同开同断,避免某一个继电器产生阻碍时影响通盘体例的做事。每道信号除通过I/O局限外,急停信号也对继电器可控,抵达软件和硬件同时急停的目标。选用的急停按钮是常闭型,高电平有用,当急停触发时,Q3不导通,致9引脚电平拉低,再与I/O信号经历与门,输出也为低电平,致Q4不导通,继电器处于开道形态,电源断道。

  别的,电道一方面正在STOP和I/O信号接口处接入5V瞬态压抑管,以防守静电积攒损坏器件;另一方面正在Q4导通时D3点亮行动电道做事形态指示,当体例闪现很是时利便阻碍排查。

  电磁兼容题目是影响医用电气兴办安闲有用的主要身分之一,不只直接影响医用兴办的安闲运用,乃至会对患者以及医护职员的人身安闲变成影响。邦度食物药品监视处理局于2012年12月正式揭橥了新版准绳YY0505-2012,并于2014年1月正式执行,该医疗仪配电模块连接此准绳做了闭系电磁兼容性(EMC)计划。现实做事境况下该体例电磁搅扰要紧于电源线上的高频搅扰、接线端口的静电搅扰、浪涌电流、可控硅通断时发作的搅扰等。

  最初酌量硬件选型,选用相易单相双节电源滤波器,不只能压抑共模搅扰,对迅疾瞬变脉冲群(EFT)实习也有很好的辅助效率。与古代电磁线圈继电器比拟,固态继电器的寿命长,牢靠性好,切换速率可达几毫秒至几微秒,没有触点燃弧和回跳,节减了电磁搅扰和瞬态效应,但固态继电器导通时会发作较大热量,体例通过正在继电器下方安放散热片来处置此题目。

  配电模块的机闭框图如图4,正在电源的进线端串入滤波器,然落伍入瞬态电压浪涌压抑模组(包蕴千瓦级TVS、压敏电阻、防雷管等),再接入继电器,结尾正在电源进入每个模块之前再差异串入滤波器。测试结果解说,该机闭或许抵达压抑电磁骚扰(EMI)和提升仪器的电磁抗扰度(EMS)的双重目标。

  体例软件要紧达成以下效用:(1)5个安闲形态的及时检测,搜罗检测光纤毗邻、脚踏毗邻、门控、水冷单位毗邻和激光器毗邻是否平常。(2)5个做事形态的剖断,搜罗开锁形态、初始化形态、参数设定形态、计算形态、很是形态的剖断。(3)水冷单位参数的收集,搜罗压力传感器、水位开闭、温度传感器、流量传感器数据的收集,并推断是否胜过平常限度。(4)激光器内部形态参数的读取并剖判,激光器内部有一个32bit的形态字,存放激光器今朝的做事形态,读取每一位形态,推断激光器今朝是否平常做事。(5)外部硬件兴办信号的收集和局限,搜罗钥匙开闭、急停按钮、启动按钮、出光指示灯和脚踏开光的信号收集或局限。(6)做事参数的设定,搜罗汽化和凝血功率的设定、指示灯的开闭、存储计划的设定和选取。(7)操作日记的存储和显示,搜罗开机时分、做事累积时分、出光累积时分和出光能量累积的存储以及今朝调整计划的出光时分和出光能量的显示。(8)激光输出功率的校准。

  软件流程如图5所示,按体例恳求,很是形态优先级最高,通过断绝管理。为减削体例资源,对5个安闲形态每1s扫描1次,若创造毗邻很是,体例从新自检,直到毗邻平常方可进入主轮回。对其他触摸屏有用包、水冷单位有用包、激光器有用包顺序管理。

  因为医疗产物对牢靠性的分外恳求,激光输出功率的切实性一定成为权衡一台医疗兴办品德诟谇的主要参数。激光功率正在光纤耦合处和光纤尾端、瘦语端面会发作衰减,如图6所示。光纤终端功率小于用户修树功率,特别正在修树功率小于60W时,最大偏向达63.6%。为了获得切实的光纤终端功率,需求借助功率计收集终端功率并读取与之对应的激光器驱动电流,然后通过插值法获得功率与电流的剖判外达式,以便用户修树每个功率参数时都能找到与之对应的电流值。

  收集了16组对应值,因为境况等身分影响采荟萃果,导致不常偏差。为了尽能够切实地得出未知点,一样实习反复4次,并将对应值取均匀。通过弥补节点个数来提升差值众项式对函数的靠近水准,因为此时高次众项式插值容易闪现Runge形势,故采用Lagrange线段,分段采用低次众项式近似函数。分段节点处函数值如外1所示。

  随机抽取一点值f(18)0(18)=1.1×18+8.1=27.9,与现实丈量值f(18)=27.7比力,偏向为0.7%,切合精度恳求。将式(2)写入软件插值函数子秩序中,当用户设定功率时,算法先推断该值所正在区间限度,再求出对应电流百分比,通过串口发送到光纤激光器。经插值算法校准后,用户修树功率与终端收集功率之间的闭联如图7所示,可知最大偏向为2.5%,较之前的63.6%有彰着革新。测试结果解说,通过此门径取得了较切实的激光输出功率,精度局限正在1W以内。

  本文计划了一种基于2m高功率光纤激光器的医疗仪,以STM32为局限主旨,告终了人性化的人机触控界面效用计划、激光器的驱动局限、细密水冷单位的参数监控、配电模块的抗搅扰计划以及输出功率的校准。输出功率0W或4W~80W,步进长度1W相连可调,可通过脚踏自正在切换汽化和凝血两种功率参数输出;温度收集精度0.5℃,水流量3.6L/min,切合IPG-TLR-80-WC-Y12型号光纤激光器平常做事恳求。经历功率校准算法,用户修树功率与终端收集功率的最大偏向由之前的63.6%低落到2.5%,局限精度为1W.测试结果解说,该体例具有牢靠性高、抗搅扰材干强、输出功率安定切实、操作容易等便宜。