多頻振動排石儀控制系統(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，體外沖擊波碎石無需在患者身上開刀手術(shù)，屬于無創(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)石可通過體外碎石機治療。體外碎石機產(chǎn)生沖擊波，由機器聚焦后對準(zhǔn)結(jié)石，經(jīng)過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)。為了加快排石過程，醫(yī)生常常建議患者術(shù)后多喝水，并輔以跳動、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，還會影響治療效果，延長治療時間，更增加了家人的負(fù)擔(dān)，浪費工作、休息時間 [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，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，產(chǎn)生的定向治療力可穿透皮層、肌肉、組織和體液，對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，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帶動傳動軟軸實現(xiàn)。電機旋轉(zhuǎn)過程中產(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) 定時時間

1 ～ 60 min 可調(diào)，步距為 1 min。

根據(jù)本次設(shè)計的任務(wù)書，主要實現(xiàn)的功能如下 ：

(1) 驅(qū)動 100W 直流電機，附加軟軸達(dá)到振動效果 ；

(2) 搭建人機交互界面，使用液晶顯示屏顯示振動頻率和定時時間，采用 1 個發(fā)光二極管顯示排石儀運作狀態(tài) ；

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

(4) 觸摸屏設(shè)置 5個按鍵，分別為工作啟動按鍵、頻率增加按鍵、頻率減小按鍵、定時時間增加按鍵、定時時間減小按鍵 ；

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

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

(7) 系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計

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 ：

FPGA運行速度快，其內(nèi)部集成了鎖相環(huán)，在高速場合優(yōu)勢明顯 ；

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

FPGA內(nèi)部程序并行運行，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，可用來快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。

方案三 ：使用單片機作為排石儀的主控芯片。單片機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。

排石儀系統(tǒng)規(guī)模較小，僅需控制系統(tǒng)工作時間與 PWM波占空比，通過捕獲電平變化的方式測量電機轉(zhuǎn)速，采用數(shù)碼管和按鍵顯示控制系統(tǒng)狀態(tài)，并加入簡單的 PID 算法。本文設(shè)計無需使用速度較快、運行效率高的 FPGA，也無需使用具備硬件乘法器、提供數(shù)字信號處理指令的 DSP，單片機即可滿足需求。單片機的定時器可滿足定時和輸出 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)碼管及實現(xiàn)按鍵掃描。因此，本文設(shè)計選用單片機作為主控芯片。

3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于單片機的多頻振動排石儀控制系統(tǒng)主要由四個模塊構(gòu)成，分別為人機交互模塊（包括觸摸屏控制與液晶屏顯示），無線傳輸模塊，輸出控制模塊，轉(zhuǎn)速檢測模塊和直流電機模塊。人機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轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速檢測模塊用于測量電機的實時速度，直流電機模塊用于產(chǎn)生振動。儀器的硬件框圖如圖 2 所示。

圖 2 硬件框圖

單片機用以控制電機驅(qū)動、觸摸屏、液晶顯示屏、蜂鳴器和速度檢測模塊。

本次設(shè)計需要用到如下四路電源 ：

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

第二路為 MOS柵極驅(qū)動電源，選用 12V電壓 ；

第三路為數(shù)碼管與光電對管的電源，電壓為 5V；

最后一路電源為 3.3V，為單片機和蜂鳴器供電。

方案的軟件功能圖如圖 3 所示。

由系統(tǒng)總體設(shè)計方案與硬件設(shè)計可知，本文系統(tǒng)需要用到液晶屏顯示系統(tǒng)的振動頻率與定時時間 ；需要用觸摸屏控制的五個按鍵來調(diào)整振動頻率、定時時間與系統(tǒng)狀態(tài) ；需要對系統(tǒng)進(jìn)行 0 ～ 60 min 的定時 ；需要實時檢測直流電動機的轉(zhuǎn)動速度 ；需要使用 PID 增量式算法對電機轉(zhuǎn)速加以控制， 使其達(dá)到期望值 ；需要使用蜂鳴器對系統(tǒng)狀態(tài)報警。

排石儀系統(tǒng)涉及的程序包括觸摸屏控制、速度檢測、液晶屏顯示、治療時間設(shè)置（定時器服務(wù)子程序）和速度控制（PWM 輸出定時器服務(wù)子程序）。為了使程序便于閱讀且條理清晰，在設(shè)計過程中將主程序結(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 單片機的選型

設(shè)計中需要用到的 I/O 口包括液晶屏控制（8 個），無線傳輸模塊（8 個），蜂鳴器報警（1 個），LED 狀態(tài)顯示（1 個），測速（1 個）和 PWM 波輸出（1 個）。另外需要定時器中斷，外部中斷等資源。根據(jù)這種情況，設(shè)計選用 64 引腳的STM32F103RCT6。STM32 系列單片機基于 ARM Cortex-M 內(nèi)核，具有性能高、成本低和功耗低等特點 [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 直流電機的選型

根據(jù)治療力的大小，本文設(shè)計確定所用電機轉(zhuǎn)速應(yīng)小于 4 000 r/min。由于在電源方案中，直流電機供電電壓由 220V 交流電壓整流而來，所以直流電機額定電壓不應(yīng)過小（大于100V）。另外，根據(jù)其供電電流的限制，電機的額定電流不應(yīng)過大（小于 3A）。根據(jù)上述要求，本文設(shè)計確定所用電機型號為 70ZYT60。該永磁直流電機的額定電壓為 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

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

1 min ；可通過觸摸屏上的開關(guān)按鈕控制系統(tǒng)的啟動和停止 ；可通過測速模塊檢測轉(zhuǎn)速并通過 PID調(diào)節(jié)速度，使其振動頻 率穩(wěn)定 ；可及時報警 ；可通過藍(lán)牙模塊實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。