多頻振動(dòng)排石儀控制系統(tǒng)

引 言

泌尿系結(jié)石是一種非常古老的疾病，是泌尿外科的常見病之一，傳統(tǒng)的治療方法為開放手術(shù)和藥物溶石排石法。隨著科技的進(jìn)步，微創(chuàng)科技飛速發(fā)展并逐漸成熟，已成為泌尿系結(jié)石的主要治療方法。泌尿系結(jié)石的微創(chuàng)法包括經(jīng)皮腎鏡取石、經(jīng)輸尿管申鏡取石、經(jīng)尿道膀胱鏡碎石取石和體外沖擊波碎石等。其中，體外沖擊波碎石無(wú)需在患者身上開刀手術(shù)，屬于無(wú)創(chuàng)治療，是治療泌尿系結(jié)石公認(rèn)的首選方法 [1]。

較大泌尿結(jié)石可通過(guò)體外碎石機(jī)治療。體外碎石機(jī)產(chǎn)生沖擊波，由機(jī)器聚焦后對(duì)準(zhǔn)結(jié)石，經(jīng)過(guò)多次釋放能量而擊碎體內(nèi)的結(jié)石，使之隨尿液排出體外。但由于腎臟和輸尿管的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，許多粉碎后的結(jié)石不易排出，常常需要數(shù)周甚至三個(gè)月才能排干凈，既增加了患者的心理負(fù)擔(dān)或可能的痛苦， 也容易造成殘石復(fù)發(fā)。為了加快排石過(guò)程，醫(yī)生常常建議患者術(shù)后多喝水，并輔以跳動(dòng)、拍打、跑步或者倒立等排石措施 [2]。雖然起到一定效果，但患者難于定量掌握，對(duì)體弱和年老患者而言，執(zhí)行較困難。

在目前醫(yī)院治療腎結(jié)石患者的儀器中，未發(fā)現(xiàn)該類儀器的使用，患者接受碎石治療后，如需體外排石則按醫(yī)囑在家中讓家人幫忙用手拍打腎區(qū)，不僅不安全，還會(huì)影響治療效果，延長(zhǎng)治療時(shí)間，更增加了家人的負(fù)擔(dān)，浪費(fèi)工作、休息時(shí)間 [3]。

1 工作原理

排石儀根據(jù)臨床腰部物理治療原理（定向體位引流），在人體表面產(chǎn)生特定方向周期變化的治療力，該定向治療力穿透力強(qiáng)，可穿透皮層、肌肉、組織和體液，其垂直方向分力產(chǎn)生的叩擊、震顫可促使呼吸道粘膜表面結(jié)石和代謝物松弛、液化，水平方向分力產(chǎn)生的定向擠推、震顫幫助碎片化結(jié)石按照選擇的方向（細(xì)支氣管 - 支氣管 - 氣管）排出體外 [4]。

由于排石儀治療力的深穿透性強(qiáng)，產(chǎn)生的定向治療力可穿透皮層、肌肉、組織和體液，對(duì)于深度的痰液排出效果明顯， 在叩擊、震顫和定向擠推工作間隔期間，作用力變化較為緩和，患者舒適感增強(qiáng)，尤其是耐受力較差的患者 [5]。

排石儀工作原理如圖 1 所示。

圖 1 排石儀工作原理圖

排石儀的治療由直流電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軟軸實(shí)現(xiàn)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生水平方向的水平力和垂直方向的垂直力，水平力與垂直力合為合力。在合力的作用下，治療頭作用于患者身體表面，產(chǎn)生定向推擠治療力，這種治療力會(huì)將患者體內(nèi)的結(jié)石順著其方向排出體外。

2 技術(shù)指標(biāo)

排石儀系統(tǒng)具體性能指標(biāo)如下 ：

(1) 正常工作條件

①環(huán)境溫度 ：0 ～ 40 ℃；

②電源 ：AC 220 V ；

③輸入功率 ：150 VA。

(2) 頻率范圍

10～60Hz（600～3600r/min），頻率可調(diào)，步距為 1Hz。

(3) 定時(shí)時(shí)間

1 ～ 60 min 可調(diào)，步距為 1 min。

根據(jù)本次設(shè)計(jì)的任務(wù)書，主要實(shí)現(xiàn)的功能如下 ：

(1) 驅(qū)動(dòng) 100W 直流電機(jī)，附加軟軸達(dá)到振動(dòng)效果 ；

(2) 搭建人機(jī)交互界面，使用液晶顯示屏顯示振動(dòng)頻率和定時(shí)時(shí)間，采用 1 個(gè)發(fā)光二極管顯示排石儀運(yùn)作狀態(tài) ；

(3) 使用蜂鳴器構(gòu)成報(bào)警電路，工作異常和工作結(jié)束時(shí)蜂鳴器報(bào)警 ；

(4) 觸摸屏設(shè)置 5個(gè)按鍵，分別為工作啟動(dòng)按鍵、頻率增加按鍵、頻率減小按鍵、定時(shí)時(shí)間增加按鍵、定時(shí)時(shí)間減小按鍵 ；

(5) 根據(jù)要求輸出不同占空比的 PWM波控制 MOS管， 從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 ；

(6) 采用光碼盤測(cè)量轉(zhuǎn)速，采用 PID 算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)， 達(dá)到預(yù)期振動(dòng)頻率 ；

(7) 系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)方案選擇

方案一 ：使用 FPGA 作為排石儀系統(tǒng)的主控芯片，其具有如下優(yōu)點(diǎn) ：

FPGA運(yùn)行速度快，其內(nèi)部集成了鎖相環(huán)，在高速場(chǎng)合優(yōu)勢(shì)明顯 ；

FPGA管腳多，具有豐富的 I/O資源，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng) ；

FPGA內(nèi)部程序并行運(yùn)行，工作效率高。

方案二 ：使用 DSP 作為排石儀的主控芯片。DSP 芯片內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的 DSP 指令，可用來(lái)快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。

方案三 ：使用單片機(jī)作為排石儀的主控芯片。單片機(jī)作為使用最普及的微控制器，具有成本低、外設(shè)資源多和學(xué)習(xí)資料豐富等特點(diǎn)。

排石儀系統(tǒng)規(guī)模較小，僅需控制系統(tǒng)工作時(shí)間與 PWM波占空比，通過(guò)捕獲電平變化的方式測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用數(shù)碼管和按鍵顯示控制系統(tǒng)狀態(tài)，并加入簡(jiǎn)單的 PID 算法。本文設(shè)計(jì)無(wú)需使用速度較快、運(yùn)行效率高的 FPGA，也無(wú)需使用具備硬件乘法器、提供數(shù)字信號(hào)處理指令的 DSP，單片機(jī)即可滿足需求。單片機(jī)的定時(shí)器可滿足定時(shí)和輸出 PWM 的需求，外部中斷可滿足捕獲電平的需求，普通 I/O 口即可控制數(shù)碼管及實(shí)現(xiàn)按鍵掃描。因此，本文設(shè)計(jì)選用單片機(jī)作為主控芯片。

3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的多頻振動(dòng)排石儀控制系統(tǒng)主要由四個(gè)模塊構(gòu)成，分別為人機(jī)交互模塊（包括觸摸屏控制與液晶屏顯示），無(wú)線傳輸模塊，輸出控制模塊，轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊和直流電機(jī)模塊。人機(jī)交互模塊用于顯示工作狀態(tài)，輸出控制模塊用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊用于測(cè)量電機(jī)的實(shí)時(shí)速度，直流電機(jī)模塊用于產(chǎn)生振動(dòng)。儀器的硬件框圖如圖 2 所示。

圖 2 硬件框圖

單片機(jī)用以控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)、觸摸屏、液晶顯示屏、蜂鳴器和速度檢測(cè)模塊。

本次設(shè)計(jì)需要用到如下四路電源 ：

第一路為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，因需要滿足較高的振動(dòng)頻率，所以選用的電機(jī)功率相對(duì)較大，本文系統(tǒng)將 220V 電壓整流得到直流驅(qū)動(dòng)電壓 ；

第二路為 MOS柵極驅(qū)動(dòng)電源，選用 12V電壓 ；

第三路為數(shù)碼管與光電對(duì)管的電源，電壓為 5V；

最后一路電源為 3.3V，為單片機(jī)和蜂鳴器供電。

方案的軟件功能圖如圖 3 所示。

由系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案與硬件設(shè)計(jì)可知，本文系統(tǒng)需要用到液晶屏顯示系統(tǒng)的振動(dòng)頻率與定時(shí)時(shí)間 ；需要用觸摸屏控制的五個(gè)按鍵來(lái)調(diào)整振動(dòng)頻率、定時(shí)時(shí)間與系統(tǒng)狀態(tài) ；需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 0 ～ 60 min 的定時(shí) ；需要實(shí)時(shí)檢測(cè)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度 ；需要使用 PID 增量式算法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速加以控制， 使其達(dá)到期望值 ；需要使用蜂鳴器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)報(bào)警。

排石儀系統(tǒng)涉及的程序包括觸摸屏控制、速度檢測(cè)、液晶屏顯示、治療時(shí)間設(shè)置（定時(shí)器服務(wù)子程序）和速度控制（PWM 輸出定時(shí)器服務(wù)子程序）。為了使程序便于閱讀且條理清晰，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將主程序結(jié)構(gòu)中的子程序?qū)懭敫?.c 文件中，以便在主程序里加以調(diào)用。

3.3 方案主要器件選型

3.3.1 單片機(jī)的選型

設(shè)計(jì)中需要用到的 I/O 口包括液晶屏控制（8 個(gè)），無(wú)線傳輸模塊（8 個(gè)），蜂鳴器報(bào)警（1 個(gè)），LED 狀態(tài)顯示（1 個(gè)），測(cè)速（1 個(gè)）和 PWM 波輸出（1 個(gè)）。另外需要定時(shí)器中斷，外部中斷等資源。根據(jù)這種情況，設(shè)計(jì)選用 64 引腳的STM32F103RCT6。STM32 系列單片機(jī)基于 ARM Cortex-M 內(nèi)核，具有性能高、成本低和功耗低等特點(diǎn) [6]。這款芯片在電子行業(yè)應(yīng)用廣泛，且學(xué)習(xí)資源豐富，可快速上手。

3.3.2 直流電機(jī)的選型

根據(jù)治療力的大小，本文設(shè)計(jì)確定所用電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)小于 4 000 r/min。由于在電源方案中，直流電機(jī)供電電壓由 220V 交流電壓整流而來(lái)，所以直流電機(jī)額定電壓不應(yīng)過(guò)?。ù笥?00V）。另外，根據(jù)其供電電流的限制，電機(jī)的額定電流不應(yīng)過(guò)大（小于 3A）。根據(jù)上述要求，本文設(shè)計(jì)確定所用電機(jī)型號(hào)為 70ZYT60。該永磁直流電機(jī)的額定電壓為 110V，額定電流為 1.3A，額定功率為 100W，最高轉(zhuǎn)速為 3600r/min。

4 結(jié)語(yǔ)

完成硬件搭建與程序下載后， 液晶屏可正常顯示10 ～ 60 Hz 的振動(dòng)頻率 ；排石儀系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn) 1 ～ 60 min 的定時(shí)時(shí)間控制 ；可通過(guò)觸摸屏按鍵控制系統(tǒng)振動(dòng)頻率加減， 步距為 1 Hz ；可通過(guò)觸摸屏按鍵控制系統(tǒng)定時(shí)時(shí)間，步距為

1 min ；可通過(guò)觸摸屏上的開關(guān)按鈕控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止 ；可通過(guò)測(cè)速模塊檢測(cè)轉(zhuǎn)速并通過(guò) PID調(diào)節(jié)速度，使其振動(dòng)頻 率穩(wěn)定 ；可及時(shí)報(bào)警 ；可通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)。