電致生物效應(yīng)高壓脈沖源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來發(fā)達(dá)國家對(duì)具有軟殺傷性的非致命武器(nonlethai weapons)表現(xiàn)出日益濃厚的興趣，其中高壓脈沖使生物失能效應(yīng)研究是發(fā)展該類武器的重要課題。電致生物效應(yīng)高壓脈沖源是關(guān)鍵裝置。為了研究不同脈沖參數(shù)對(duì)生物體的作用．要求脈沖的幅值、寬度和頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，因此高壓脈沖源基于全固態(tài)剛管調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)并由直流高壓電源、串聯(lián)IGBT調(diào)制開關(guān)和控制系統(tǒng)三部分組成。基于8051微控制器的高壓脈沖源控制系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡單，電路可靠的優(yōu)點(diǎn)。但其程序設(shè)計(jì)一般為前后臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性較差，從而使輸出脈沖波形穩(wěn)定性不能滿足實(shí)驗(yàn)要求。本文基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Small RTOS51進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，以及優(yōu)化的采樣信號(hào)濾波算法，使該高壓脈沖源輸出電壓精度穩(wěn)定達(dá)到0．1％。從而能可靠地用于生物效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

1 硬件設(shè)計(jì)
    電致生物效應(yīng)高壓脈沖源要求產(chǎn)生500～5 000 V寬范圍的脈沖高壓輸出，控制系統(tǒng)管理高壓脈沖源所有組件的工作，是實(shí)現(xiàn)高可靠性的核心。控制系統(tǒng)的主要功能是：不斷掃描鍵盤獲取電源工作參數(shù)／命令，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)和不斷采樣的負(fù)載電壓值控制高壓脈沖電壓幅值，從而使電源以預(yù)定電壓恒壓輸出；采樣初級(jí)開關(guān)電源狀態(tài)，用以實(shí)時(shí)計(jì)算電源輸出功率，以保護(hù)實(shí)現(xiàn)對(duì)象；實(shí)時(shí)在點(diǎn)陣式彩色圖形液晶屏上顯示電源的工作狀態(tài)。高壓脈沖源原理如圖1所示。

    控制系統(tǒng)的硬件主要由控制核心、脈寬調(diào)制模塊、電壓控制與采樣模塊、鍵盤和顯示模塊、掉電數(shù)據(jù)保存模塊組成?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1．1 電壓輸出控制與采樣模塊
    當(dāng)高壓脈沖輸出時(shí)，控制系統(tǒng)不斷采樣輸出電壓幅值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整初級(jí)高壓開關(guān)電源的輸出。輸出電壓采樣的準(zhǔn)確性和初級(jí)高壓開關(guān)電源輸出控制精度是實(shí)現(xiàn)高壓脈沖精確穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵?；贛AX526和MAX197可實(shí)現(xiàn)12位分辨率的輸出控制與采樣。為了減少高壓脈沖源初級(jí)開關(guān)電源引起的高頻干擾對(duì)電壓控制與采樣電路的影響，除了對(duì)地線進(jìn)行合理布線外，對(duì)MAX526，MAX197的數(shù)字電壓源串聯(lián)5 Ω電阻進(jìn)行電源濾波。MAX526，MAX197外圍電路如圖3所示。

1．2 脈寬調(diào)制模塊
    電致生物效應(yīng)源需要頻率1～500 Hz，脈寬1～200 μs連續(xù)可調(diào)PWM信號(hào)控制高壓脈沖輸出。實(shí)現(xiàn)該P(yáng)WM信號(hào)可以利用8051單片機(jī)自帶的計(jì)數(shù)器，但是考慮到程序設(shè)計(jì)基于Small RTOS51，和大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)一樣，Small RTOS51會(huì)頻繁關(guān)閉所有中斷以保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵代碼執(zhí)行，這會(huì)造成基于軟件生成的PWM信號(hào)精度較低，因此，本設(shè)計(jì)采用8254級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)該P(yáng)WM信號(hào)。
    8254有3個(gè)獨(dú)立的16位減法計(jì)數(shù)通道，使用單-5 V電源，最大計(jì)數(shù)頻率10 MHz，使用級(jí)聯(lián)方式可使計(jì)數(shù)器0、2使用同一個(gè)1 MHz外部晶振，計(jì)數(shù)器2工作方式3，計(jì)數(shù)值固定為20，以產(chǎn)生50 kHz方波，該方波信號(hào)作為計(jì)數(shù)器1時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)值為頻率值，產(chǎn)生1～500 Hz頻率可調(diào)方波，計(jì)數(shù)器0工作在方式1，計(jì)數(shù)值為脈寬值，計(jì)數(shù)器1輸出的1～500 Hz信號(hào)作為門控，實(shí)現(xiàn)1～500 Hz，1～200μs的連續(xù)輸出。8254外圍電路如圖4所示。

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1．3 鍵盤、顯示與數(shù)據(jù)掉電保存模塊
    電致生物效應(yīng)源的操作界面由1×5鍵盤和65536真彩色圖形智能液晶顯示器件組成。5個(gè)按鍵直接用單片機(jī)的IO口掃描獲得鍵值。液晶器件內(nèi)置了32位ARM處理器和RS232串口，這樣可以與任何具有串口功能的MPU方便連接，適合產(chǎn)品的快速開發(fā)。
    掉電數(shù)據(jù)保存芯片除了保存用戶參數(shù)外，也用于程序的中間變量存儲(chǔ)。EEPROM芯片是常用的低成本掉電數(shù)據(jù)保存芯片，但其存取速度太慢，會(huì)占用MPU過多時(shí)間，降低RTOS的實(shí)時(shí)性，因而系統(tǒng)采用自帶鋰電池與電池管理功能的NVRAM芯片DS1220，其每次數(shù)據(jù)存取時(shí)間為50 μs。

2 軟件設(shè)計(jì)
    Small RTOS51是專為51單片機(jī)開發(fā)的占先式嵌入式內(nèi)核，提供消息隊(duì)列、信號(hào)量、中斷管理等基本服務(wù)，功能滿足大多數(shù)工程項(xiàng)目應(yīng)用?；赗TOS的程序設(shè)計(jì)可以保證電致生物效應(yīng)高壓脈沖源輸出的穩(wěn)定性。
2．1 程序架構(gòu)設(shè)計(jì)
    電致生物效應(yīng)高壓脈沖源控制系統(tǒng)程序共分4個(gè)任務(wù)。優(yōu)先級(jí)從高到低依次為：鍵盤處理任務(wù)、初級(jí)開關(guān)電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)與顯示任務(wù)、與液晶顯示器件通信任務(wù)、系統(tǒng)運(yùn)行與系統(tǒng)狀態(tài)顯示任務(wù)。任務(wù)與RTOS內(nèi)核、中斷關(guān)系如圖5所示。

2．2 軟件濾波算法
    以高頻開關(guān)電源為初級(jí)能源的高壓脈沖電源的輸出采樣信號(hào)將不可避免地出現(xiàn)各種高頻隨機(jī)干擾信號(hào)，即使以低通濾波電路進(jìn)行處理后，該采樣信號(hào)仍然存在許多毛刺，如圖6所示。

    因此，必須采用軟件濾波才能得到準(zhǔn)確的采樣信號(hào)。在高頻隨機(jī)干擾嚴(yán)重的情況下常用的是中位值濾波算法，但該算法的缺點(diǎn)是靈敏度較差。因此，本文提出了一種改進(jìn)的中位值平均濾波算法。其基本原理是：每組采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)N個(gè)數(shù)據(jù)排序后去除最大的兩個(gè)值和最小的兩個(gè)值，對(duì)剩余的(N-4)個(gè)值求平均，該平均值作為最終的采樣結(jié)果。在本文中，N=10。按照該算法，對(duì)上圖信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣值最大為4．01 V，最小為3．99 V，抖動(dòng)極差±0．01 V，并以3次最小二乘法進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖7所示。可見，該算法可有效濾出高頻隨機(jī)干擾信號(hào)，并具有較高的靈敏度。

3 結(jié)論
    大多數(shù)基于高頻開關(guān)電源為初級(jí)能源的高壓脈沖源輸出精度及穩(wěn)定性達(dá)不到生物效應(yīng)實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)現(xiàn)高精度和穩(wěn)定性的核心在于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)且具備較高靈敏度的采樣算法是解決問題的關(guān)鍵。本文基于RTOS進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并提出了一種改進(jìn)的采樣信號(hào)濾波算法，與傳統(tǒng)中位值濾波算法相比，使電源輸出脈沖精度和系統(tǒng)的可靠性得到提高。實(shí)測(cè)表明在長時(shí)間連續(xù)工作時(shí)輸出精度保持為0．1％，能可靠用于生物效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。