超聲波清創(chuàng)機(jī)控制板的設(shè)計(jì)

超聲波清創(chuàng)機(jī)控制板的設(shè)計(jì)

【摘要】近年來，超聲波因其奇異的特性得到了越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)超聲產(chǎn)品的研究和開發(fā)成了很多研究的熱點(diǎn)。超聲波是一種機(jī)械波，清洗傷口過程通過清洗液作用于傷口，利用其特有的空化效應(yīng)可以有效清除壞死組織，而對(duì)正常組織的損傷卻很輕。利用超生波清創(chuàng)已被證明具有良好的效果，本文主要就力求便易使用和增強(qiáng)對(duì)機(jī)器的可控性，討論對(duì)超聲波清創(chuàng)機(jī)控制板設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】超聲波清創(chuàng)；信號(hào)發(fā)生；人機(jī)交互

Abstract：In recent years，because of the singular characteristic，ultrasonic has been more and more widely used，also the research and development of ultrasonic products has become popular.Ultrasonic is a kind of mechanical wave，with its unique cavitation effect can effectively remove necrotic tissue，and damage in normal tissue is very light.The process of cleaning the wound is through cleaning fluid ACTS on the wound.Using super living wave debridement has been proven to have good effect，this article mainly discuss the design and implementation of ultrasonic debridement machine control panel.

Keywords：Ultrasonic debridement；Signal generate；The human-computer interaction

1.引言

近年來超聲波因其奇異的特性得到了越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)超聲產(chǎn)品的研究和開發(fā)成了很多研究的熱點(diǎn)，利用超生波清創(chuàng)已被證明具有良好的效果，超聲波是一種機(jī)械波[1]，清洗傷口過程中通過清洗液體作用于傷口，具有無創(chuàng)，無污染的特點(diǎn)；超聲沖洗所需的沖洗壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高壓沖洗的壓力，對(duì)正常組織損害很輕，不會(huì)破壞機(jī)體自身的防御機(jī)制。超聲波具有空化效應(yīng)，能有效地清除壞死組織，并具有殺菌作用，改善局部微循環(huán)及促進(jìn)傷口愈合，大大減少傷口感染的幾率。

超聲波清創(chuàng)機(jī)得到越來越廣泛的應(yīng)用，它的逐漸普及對(duì)于自身易操作性也是一個(gè)考驗(yàn)，本文主要討論對(duì)超聲波清創(chuàng)機(jī)控制板的設(shè)計(jì)，力求利用良好的人機(jī)交互與反饋機(jī)制是使用者更加方便和有效的控制和使用超聲波清創(chuàng)機(jī)。

2.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

超聲波清創(chuàng)機(jī)整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要去控制板產(chǎn)生所需信號(hào)，經(jīng)由功放進(jìn)行放大，由換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)的聲波信號(hào)，并通過變幅器進(jìn)行可控機(jī)械調(diào)節(jié)，最終由手術(shù)刀具輸出清洗液以及超聲波輸出對(duì)人體損傷組織進(jìn)行殺菌清創(chuàng)。本文主要討論控制板部分的設(shè)計(jì)（圖1黑框中部分）使整臺(tái)機(jī)器更易于使用人員的操作，并增強(qiáng)機(jī)器的可監(jiān)測(cè)性與可控能力。

3.控制板整體結(jié)構(gòu)框架

控制板主要負(fù)責(zé)超聲波所需的原始信號(hào)產(chǎn)生，對(duì)超聲波工作過程中的功率和頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并通過人機(jī)界面進(jìn)行各參數(shù)顯示并通過與使用者的交互進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定和操作。控制板采用模塊化設(shè)計(jì)，主要分為處理器、人機(jī)界面、頻率檢測(cè)、功率檢測(cè)、信號(hào)發(fā)生器五個(gè)部分，其中處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的正常，穩(wěn)定運(yùn)行。

4.各模塊設(shè)計(jì)

（1）信號(hào)發(fā)生器

本設(shè)計(jì)中的信號(hào)發(fā)生器部分主要基于集成電路AD9834為核心并通過處理器進(jìn)行相應(yīng)控制產(chǎn)生所需信號(hào)。AD9834數(shù)字頻率合成器是一款高度集成的DDS芯片[3]，它采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，結(jié)合內(nèi)部集成的高速高性能的DAC，可以實(shí)現(xiàn)靈活的頻率合成功能。AD9834最高時(shí)鐘頻率為75MHz，由采樣定理最高輸出頻率為37.5MHz。通過設(shè)定輸出可以是正弦波和三角波。它還有一個(gè)片上比較器，允許產(chǎn)生方波，為了實(shí)現(xiàn)改變輸出波形的頻率。芯片內(nèi)部提供一個(gè)28bit寄存器，按75MHz的時(shí)鐘速率，最小能達(dá)到0.28Hz分辨率。同樣，如果是1MHz的時(shí)鐘速率，AD9834可以最低實(shí)現(xiàn)0.004Hz分辨率.可見其使用非常靈活。對(duì)AD9834的控制寄存器的寫入是通過3線SPI接口。這個(gè)串行接口工作最高時(shí)鐘速率可達(dá)40MHz。信號(hào)產(chǎn)生原理圖如圖2所示。

（2）頻率檢測(cè)

頻率檢測(cè)部分直接將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)作為檢測(cè)的輸入，并將檢測(cè)輸出直接接入處理器，處理器對(duì)輸入信號(hào)的頻率檢測(cè)可以有兩種方法[5]：一種是定時(shí)計(jì)數(shù)法，即在較長(zhǎng)一段定時(shí)內(nèi)對(duì)外部中斷計(jì)數(shù)；另一種是周期測(cè)量軟件計(jì)數(shù)法，即在相鄰兩次外部中斷中對(duì)較短的定時(shí)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。前者需要合適的定時(shí)周期值，而后者在信號(hào)源的頻率較大時(shí)，產(chǎn)生的誤差較大。考慮到定時(shí)器的最大定時(shí)限度，這里對(duì)不同頻率段采用不同的檢測(cè)方法：當(dāng)信號(hào)源頻率較大時(shí)，采用定時(shí)計(jì)數(shù)法；當(dāng)信號(hào)源頻率較小時(shí)，采用周期測(cè)量軟件計(jì)數(shù)法。采用這種分段處理的方法時(shí)需要設(shè)定一個(gè)合適的閾值。頻率監(jiān)檢測(cè)流程如圖3所示。

（3）功率檢測(cè)

本設(shè)計(jì)中功率檢測(cè)部分的核心器件為MAX4000，功率檢測(cè)和控制器MAX4000是MAXIM公司2004年推出的產(chǎn)品[9]，它將傳統(tǒng)的檢波器和運(yùn)算放大器合為一體，具有檢波輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大、輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等電子設(shè)備中的功率檢測(cè)和功率控制。它由4個(gè)小信號(hào)放大器、5個(gè)檢波器和1個(gè)運(yùn)放組成。功率放大器輸出端口耦合出來的信號(hào)輸入到MAX4000的RFIN端，MAX4000將射頻信號(hào)進(jìn)行檢波、比較、放大后由OUT管腳輸出，直接驅(qū)動(dòng)功率放大器中的PIN衰減器，調(diào)節(jié)SET管腳的電壓值，使得功率放大器的功率恒定在某一值上。MAX4000應(yīng)用原理框圖如圖4所示。（4）人機(jī)界面

本設(shè)計(jì)中的人機(jī)界面設(shè)計(jì)是基于WINCE 6.0嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)，硬件上采用統(tǒng)寶T35液晶屏，交互方式上采用圖像交互與行為交互相結(jié)合，本著人機(jī)交互中合理性與安全性的原則[6]，開發(fā)實(shí)體用戶界面，使操作者擁有良好的操作體驗(yàn)并能夠輕松自如的操作超聲波清創(chuàng)機(jī)。

（5）處理器

本設(shè)計(jì)中處理器方面采用的為三星公司的16/32位精簡(jiǎn)指令集微處理器S3C-2440A，S3C2440A基于ARM920T核心，0.13?m的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元。低功耗，簡(jiǎn)單，精致，且全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合于對(duì)成本和功率敏感型的應(yīng)用。它采用了新的總線架構(gòu)如先進(jìn)微控制總線構(gòu)架（AMBA）。

1.2V內(nèi)核供電，1.8V/2.5V/3.3V儲(chǔ)存器供電，3.3V外部I/O供電，具備16KB的指令緩存和16KB的數(shù)據(jù)緩存和MMU的微處理器。其豐富的外設(shè)能充分滿足本設(shè)計(jì)的需要。

5.系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程圖如圖5所示。

6.結(jié)束語

隨著超聲波清創(chuàng)機(jī)使用的普及，其操作的便易性也要求隨之增高，本設(shè)計(jì)正是順應(yīng)著這種需求，從人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā)，在不失機(jī)器本身性能的前提下，提高了使用人員對(duì)機(jī)器的可操作性以及對(duì)機(jī)器控制的便易性。

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