根据STM32的2μm高功率激光医疗仪控制器规划

2 μm 高功率激光医疗仪市场需求越来越大，而现在人机交互模块前国内此类设备在操控上缺少对体系安全和出光精准度的考虑。一起跟着YY0505-2012 医用电气电磁兼容规范于2014 年的履行，规划契合YY0505-2012 规范的医用设备已火烧眉毛。因而，本文选用模块化规划，规划了一种根据STM32的2 μm 光纤激光器医疗仪操控体系，将水冷单元的参数监控、电源模块的抗搅扰规划、输出功率的校准等集成于一体。测验成果表明，体系牢靠安稳，操作便当。

1 体系功用和结构规划

按功用区分，医疗仪首要由2 μm 光纤激光器模块、精细水冷单元、STM32 主操控器模块、人机交互模块等部分组成， 结构如图1 所示。操控器是医疗仪的大脑，担任整个设备的启停和正常运转。2 μm 光纤激光器通过光学体系准直聚集，得到医用激光，在特定条件下，脚踏开关闭合宣布相应功率的激光，由光纤传导到病灶部位。精细水冷单元的循环水流经激光腔，使激光器作业在适宜温度，保证输出功率安稳，且水冷单元的发动总是先于激光器，避免激光器在高温高湿环境下结露而损坏。门控直接与激光器内部的interlock 信号相连，一起主控器对其状况实时监测。此外光纤检测可对医用光纤进行规范化办理，避免因光纤老化影响医治作用。

图1 医疗仪整体结构图

设备以触摸屏为首要人机交互渠道，完成的功用包含：汽化与凝血参数的一起设置;不同计划的保存和调用;能量、计时等医治参数的计算显现;体系反常状况的报警提示; 出光指示灯的亮度调理。

2 体系硬件规划

2.1 体系硬件结构

体系硬件以STM32F107VCT6 为中心，硬件框图如图2 所示。精细水冷单元的参数监控包含凹凸水位、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、钥匙开关、急停、发动、脚踏、门控等外部硬件操控;配电模块集成了继电器驱动电路和电磁兼容规划。其间，水冷单元、光纤激光器、触摸屏和音效组成模块别离通过RS232 与主操控器通讯。

图2 体系硬件框图

2.2 配电模块电路规划

为完成高牢靠性，配电模块电路选用冗余规划，每路继电器驱动电路操控两个固态继电器。以图3 所示激光器的继电器驱动电路为例，U5 、U6 代表两个继电器，输出端别离串联到电源的零线和火线上，完成同开同断，避免某一个继电器发生毛病时影响整个体系的作业。每路信号除通过I/O 操控外，急停信号也对继电器可控，到达软件和硬件一起急停的意图。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 信号通过与门，输出也为低电平，致Q4 不导通，继电器处于开路状况，电源断路。

别的，电路一方面在STOP 和I /O 信号接口处接入5 V 瞬态按捺管，以避免静电积累损坏器材;另一方面在Q4 导通时D3 点亮作为电路作业状况指示，当体系呈现反常时便当毛病排查。

图3 继电器驱动电路

2.3 配电模块电磁兼容规划

电磁兼容问题是影响医用电气设备安全有用的重要要素之一，不只直接影响医用设备的安全运用，乃至会对患者以及医护人员的人身安全形成影响。国家食品药品监督办理局于2012 年12 月正式发布了新版规范YY0505—2012 ，并于2014 年1 月正式施行，该医疗仪配电模块结合此规范做了相关电磁兼容性(EMC) 规划。实践作业环境下该体系电磁搅扰首要来源于电源线上的高频搅扰、接线端口的静电搅扰、浪涌电流、可控硅通断时发生的搅扰等。

首要考虑硬件选型，选用沟通单相双节电源滤波器，不只能按捺共模搅扰，对快速瞬变脉冲群(EFT)试验也有很好的辅佐作用。与传统电磁线圈继电器比较，固态继电器的寿命长，牢靠性好，切换速度可达几毫秒至几微秒，没有触点着弧和回跳，减少了电磁搅扰和瞬态效应，但固态继电器导通时会发生较大热量，体系通过在继电器下方放置散热片来处理此问题。

配电模块的结构框图如图4，在电源的进线端串入滤波器，然后进入瞬态电压浪涌按捺模组( 包含千瓦级TVS 、压敏电阻、防雷管等)，再接入继电器，最终在电源进入每个模块之前再别离串入滤波器。测验成果表明，该结构可以到达按捺电磁打扰(EMI) 和进步仪器的电磁抗扰度(EMS) 的两层意图。

图4 配电模块结构框图

3 体系软件规划

3.1 软件功用规划

体系软件首要完成以下功用：(1)5 个安全状况的实时检测，包含检测光纤衔接、脚踏衔接、门控、水冷单元衔接和激光器衔接是否正常。(2)5 个作业状况的断定，包含开锁状况、初始化状况、参数设定状况、预备状况、反常状况的断定。(3) 水冷单元参数的收集，包含压力传感器、水位开关、温度传感器、流量传感器数据的收集，并判别是否超出正常规模。(4)激光器内部状况参数的读取并剖析，激光器内部有一个32 bit 的状况字，寄存激光器当时的作业状况，读取每一位状况，判别激光器当时是否正常作业。(5) 外部硬件设备信号的收集和操控，包含钥匙开关、急停按钮、发动按钮、出光指示灯和脚踏开光的信号收集或操控。(6) 作业参数的设定，包含汽化和凝血功率的设定、指示灯的开闭、存储计划的设定和挑选。(7) 操作日志的存储和显现， 包含开机时刻、作业累积时刻、出光累积时刻和出光能量累积的存储以及当时医治计划的出光时刻和出光能量的显现。(8) 激光输出功率的校准。

软件流程如图5 所示，按体系要求，反常状况优先级最高，通过中止处理。为节约体系资源， 对5 个安全状况每1 s 扫描1 次， 若发现衔接反常， 体系从头自检，直到衔接正常方可进入主循环。对其他触摸屏有用包、水冷单元有用包、激光器有用包顺次处理。

图5 体系软件流程图

3.2 激光功率主动校准算法

因为医疗产品对牢靠性的特殊要求，激光输出功率的精确性必定成为衡量一台医疗设备质量好坏的重要参数。激光功率在光纤耦合处和光纤尾端、切断端面会发生衰减，如图6 所示。光纤终端功率小于用户设置功率，尤其在设置功率小于60 W 时， 最大误差达63.6%。为了得到精确的光纤终端功率，需求凭借功率计收集终端功率并读取与之对应的激光器驱动电流，然后通过插值法得到功率与电流的剖析表达式，以便用户设置每个功率参数时都能找到与之对应的电流值。

图6 校准前终端收集功率与用户设置功率联系

收集了16 组对应值，因为环境等要素影响收集成果，导致偶然误差。为了尽可能精确地得出不知道点，相同试验重复4 次，并将对应值取均匀。通过添加节点个数来进步差值多项式对函数的迫临程度，因为此刻高次多项式插值简单呈现Runge 现象，故选用Lagrange 线性插值，把节点分红13 段，分段选用低次多项式近似函数。分段节点处函数值如表1 所示。

分段表达式为：

将各点别离带入式(1) 得出分段表达式：

表1 节点处函数对应值

随机抽取一点值f (18)≈φ0 (18) =1.1 ×18 +8.1 =27.9 ，与实践测量值f(18)=27.7 比较，误差为0.7%，契合精度要求。将式(2) 写入软件插值函数子程序中，当用户设定功率时， 算法先判别该值地点区间规模，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，用户设置功率与终端收集功率之间的联系如图7所示，可知最大误差为2.5%，较之前的63.6%有显着改进。测验成果表明，通过此办法获得了较精确的激光输出功率，精度操控在±1 W 以内。

图7 校准后用户设置功率与终端收集功率联系

4 体系测验及成果

本文规划了一种根据2 μm 高功率光纤激光器的医疗仪，以STM32 为操控中心，完成了人性化的人机触控界面功用规划、激光器的驱动操控、精细水冷单元的参数监控、配电模块的抗搅扰规划以及输出功率的校准。输出功率0 W 或4 W～80 W，步进长度1 W 接连可调, 可通过脚踏自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3.6 L/min ，契合IPG-TLR-80 -WC-Y12 类型光纤激光器正常作业要求。通过功率校准算法，用户设置功率与终端收集功率的最大误差由之前的63.6%降低到2.5%， 操控精度为±1 W。测验成果表明，该体系具有牢靠性高、抗搅扰能力强、输出功率安稳精确、操作便当等长处。