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    1. 侵權投訴

      基于STM32的2μm高功率激光醫療儀的系統電路和原理圖

      2020-06-17 11:22 ? 次閱讀

      2μm高功率激光醫療儀市場需求越來越大,而目人機交互模塊前國內此類設備在控制上缺乏對系統安全和出光精準度的考慮。同時隨著YY0505-2012醫用電氣電磁兼容標準于2014年的執行,設計符合YY0505-2012標準的醫用設備已迫在眉睫。因此,本文采用模塊化設計,設計了一種基于STM32的2μm光纖激光器醫療儀控制系統,將水冷單元的參數監控、電源模塊的抗干擾設計、輸出功率的校準等集成于一體。測試結果表明,系統可靠穩定,操作方便。

      1. 系統功能和結構設計

      按功能劃分,醫療儀主要由2μm光纖激光器模塊、精密水冷單元、STM32主控制器模塊、人機交互模塊等部分組成,結構如圖1所示??刂破魇轻t療儀的大腦,負責整個設備的啟停和正常運行。2μm光纖激光器經過光學系統準直聚焦,得到醫用激光,在特定條件下,腳踏開關閉合發出相應功率的激光,由光纖傳導到病灶部位。精密水冷單元的循環水流經激光腔,使激光器工作在合適溫度,確保輸出功率穩定,且水冷單元的啟動總是先于激光器,防止激光器在高溫高濕環境下結露而損壞。門控直接與激光器內部的interlock信號相連,同時主控器對其狀態實時監測。此外光纖檢測可對醫用光纖進行規范化管理,防止因光纖老化影響治療效果。采集了16組對應值,由于環境等因素影響采集結果,導致偶然誤差。為了盡可能準確地得出未知點,相同實驗重復4次,并將對應值取平均。通過增加節點個數來提高差值多項式對函數的逼近程度,由于此時高次多項式插值容易出現Runge現象,故采用Lagrange線性插值,把節點分成13段,分段采用低次多項式近似函數。分段節點處函數值如表1所示。

      基于STM32的2μm高功率激光醫療儀的系統電路和原理圖

      圖1 醫療儀總體結構圖

      設備以觸摸屏為主要人機交互平臺,實現的功能包括:汽化與凝血參數的同時設置;不同方案的保存和調用;能量、計時等治療參數的統計顯示;系統異常狀態的報警提示;出光指示燈的亮度調節。

      2. 系統硬件設計

      2.1 系統硬件結構

      系統硬件以STM32F107VCT6為核心,硬件框圖如圖2所示。精密水冷單元的參數監控包括高低水位、水流量、水壓力、水溫的監測;以觸摸屏為主的人機交互模塊集成了出光指示燈、鑰匙開關、急停、啟動、腳踏、門控等外部硬件控制;配電模塊集成了繼電器驅動電路和電磁兼容設計。其中,水冷單元、光纖激光器、觸摸屏和音效合成模塊分別通過RS232與主控制器通信。

      基于STM32的2μm高功率激光醫療儀的系統電路和原理圖

      圖2 系統硬件框圖

      2.2 配電模塊電路設計

      另外,電路一方面在STOP和I/O信號接口處接入5V瞬態抑制管,以防止靜電積累損壞器件;另一方面在Q4導通時D3點亮作為電路工作狀態指示,當系統出現異常時方便故障排查。

      基于STM32的2μm高功率激光醫療儀的系統電路和原理圖

      圖3 繼電器驅動電路

      2.3 配電模塊電磁兼容設計

      電磁兼容問題是影響醫用電氣設備安全有效的重要因素之一,不僅直接影響醫用設備的安全使用,甚至會對患者以及醫護人員的人身安全造成影響。國家食品藥品監督管理局于2012年12月正式發布了新版標準YY0505-2012,并于2014年1月正式實施,該醫療儀配電模塊結合此標準做了相關電磁兼容性(EMC)設計。實際工作環境下該系統電磁干擾主要于電源線上的高頻干擾、接線端口的靜電干擾、浪涌電流、可控硅通斷時產生的干擾等。

      首先考慮硬件選型,選用交流單相雙節電源濾波器,不僅能抑制共模干擾,對快速瞬變脈沖群(EFT)實驗也有很好的輔助效果。與傳統電磁線圈繼電器相比,固態繼電器的壽命長,可靠性好,切換速度可達幾毫秒至幾微秒,沒有觸點燃弧和回跳,減少了電磁干擾和瞬態效應,但固態繼電器導通時會產生較大熱量,系統通過在繼電器下方放置散熱片來解決此問題。

      配電模塊的結構框圖如圖4,在電源的進線端串入濾波器,然后進入瞬態電壓浪涌抑制模組(包含千瓦級TVS、壓敏電阻、防雷管等),再接入繼電器,最后在電源進入每個模塊之前再分別串入濾波器。測試結果表明,該結構能夠達到抑制電磁騷擾(EMI)和提高儀器的電磁抗擾度(EMS)的雙重目的。

      基于STM32的2μm高功率激光醫療儀的系統電路和原理圖

      圖4 配電模塊結構框圖

      3. 系統軟件設計

      3.1 軟件功能設計

      系統軟件主要實現以下功能:(1)5個安全狀態的實時檢測,包括檢測光纖連接、腳踏連接、門控、水冷單元連接和激光器連接是否正常。(2)5個工作狀態的判定,包括開鎖狀態、初始化狀態、參數設定狀態、準備狀態、異常狀態的判定。(3)水冷單元參數的采集,包括壓力傳感器、水位開關、溫度傳感器、流量傳感器數據的采集,并判斷是否超出正常范圍。(4)激光器內部狀態參數的讀取并分析,激光器內部有一個32bit的狀態字,存放激光器當前的工作狀態,讀取每一位狀態,判斷激光器當前是否正常工作。(5)外部硬件設備信號的采集和控制,包括鑰匙開關、急停按鈕、啟動按鈕、出光指示燈和腳踏開光的信號采集或控制。(6)工作參數的設定,包括汽化和凝血功率的設定、指示燈的開閉、存儲方案的設定和選擇。(7)操作日志的存儲和顯示,包括開機時間、工作累積時間、出光累積時間和出光能量累積的存儲以及當前治療方案的出光時間和出光能量的顯示。(8)激光輸出功率的校準。

      軟件流程如圖5所示,按系統要求,異常狀態優先級最高,通過中斷處理。為節省系統資源,對5個安全狀態每1s掃描1次,若發現連接異常,系統重新自檢,直到連接正常方可進入主循環。對其他觸摸屏有效包、水冷單元有效包、激光器有效包依次處理。

      基于STM32的2μm高功率激光醫療儀的系統電路和原理圖

      圖5 系統軟件流程圖

      3.2 激光功率自動校準算法

      由于醫療產品對可靠性的特殊要求,激光輸出功率的準確性必然成為衡量一臺醫療設備品質好壞的重要參數。激光功率在光纖耦合處和光纖尾端、切口端面會產生衰減,如圖6所示。光纖終端功率小于用戶設置功率,尤其在設置功率小于60W時,最大偏差達63.6%。為了得到準確的光纖終端功率,需要借助功率計采集終端功率并讀取與之對應的激光器驅動電流,然后通過插值法得到功率與電流的分析表達式,以便用戶設置每個功率參數時都能找到與之對應的電流值。

      基于STM32的2μm高功率激光醫療儀的系統電路和原理圖

      圖6 校準前終端采集功率與用戶設置功率關系

      采集了16組對應值,由于環境等因素影響采集結果,導致偶然誤差。為了盡可能準確地得出未知點,相同實驗重復4次,并將對應值取平均。通過增加節點個數來提高差值多項式對函數的逼近程度,由于此時高次多項式插值容易出現Runge現象,故采用Lagrange線性插值,把節點分成13段,分段采用低次多項式近似函數。分段節點處函數值如表1所示。

      分段表達式為:

      基于STM32的2μm高功率激光醫療儀的系統電路和原理圖

      將各點分別帶入式(1)得出分段表達式:

      基于STM32的2μm高功率激光醫療儀的系統電路和原理圖

      表1節點處函數對應值

      基于STM32的2μm高功率激光醫療儀的系統電路和原理圖

      隨機抽取一點值f(18)≈φ0(18)=1.1×18+8.1=27.9,與實際測量值f(18)=27.7比較,偏差為0.7%,符合精度要求。將式(2)寫入軟件插值函數子程序中,當用戶設定功率時,算法先判斷該值所在區間范圍,再求出對應電流百分比,通過串口發送到光纖激光器。經插值算法校準后,用戶設置功率與終端采集功率之間的關系如圖7所示,可知最大偏差為2.5%,較之前的63.6%有明顯改善。測試結果表明,通過此方法獲得了較準確的激光輸出功率,精度控制在±1W以內。

      基于STM32的2μm高功率激光醫療儀的系統電路和原理圖

      圖7 校準后用戶設置功率與終端采集功率關系

      4. 系統測試及結果

      本文設計了一種基于2μm高功率光纖激光器的醫療儀,以STM32為控制核心,完成了人性化的人機觸控界面功能設計、激光器的驅動控制、精密水冷單元的參數監控、配電模塊的抗干擾設計以及輸出功率的校準。輸出功率0W或4W~80W,步進長度1W連續可調,可通過腳踏自由切換汽化和凝血兩種功率參數輸出;溫度采集精度±0.5℃,水流量3.6L/min,符合IPG-TLR-80-WC-Y12型號光纖激光器正常工作要求。經過功率校準算法,用戶設置功率與終端采集功率的最大偏差由之前的63.6%降低到2.5%,控制精度為±1W.測試結果表明,該系統具有可靠性高、抗干擾能力強、輸出功率穩定準確、操作便利等優點。

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      的頭像 牽手一起夢 發表于 06-12 16:23 ? 430次 閱讀
      利元亨PSO激光焊接技術的特點及在新能源汽車鋰電池行業的應用

      大族激光研發光刻機項目,其重心放在分立器件與LED領域

      眾所周知,智能手機芯片制造所需的光刻機一直以來被荷蘭ASML公司壟斷,一臺精密光刻機售價上百億,而我....
      的頭像 牽手一起夢 發表于 06-12 14:22 ? 1001次 閱讀
      大族激光研發光刻機項目,其重心放在分立器件與LED領域

      醫療電子無線化,藍牙成為新助力

      醫療設備的精準化、便攜化成為近些年的的一個發展趨勢。各項電子設備的無線化也成為了一種流行與發展趨勢,....
      發表于 06-12 10:51 ? 200次 閱讀
      醫療電子無線化,藍牙成為新助力

      醫療電子與物聯網相結合,全方位為患者提供服務

      物聯網,顧名思義,物與物相聯系,這次是與醫療電子聯系上了。通過物聯網及時收集醫療數據,包括互聯互通的....
      發表于 06-12 10:45 ? 116次 閱讀
      醫療電子與物聯網相結合,全方位為患者提供服務

      云醫療電子時代如何應對信息盜取危機

      現在醫療電子信息化已經融入我們生活,遨游在網絡的世界里,哪哪都需要輸入個人信息,個人信息被販賣,這是....
      發表于 06-12 10:42 ? 81次 閱讀
      云醫療電子時代如何應對信息盜取危機

      安森美半導體推出移動醫療電子設備的系統級封裝方案

      推動高能效創新的安森美半導體(ON Semiconductor)響應便攜醫療市場快速演變的產品開發需....
      發表于 06-11 10:54 ? 200次 閱讀
      安森美半導體推出移動醫療電子設備的系統級封裝方案

      醫療電子領域中,磁共振成像是必不可少的環節

      醫療電子領域中,磁共振成像是必不可少的環節。早在上世紀末,磁共振成像系統成就了醫學影像的重大突破,成....
      發表于 06-11 10:50 ? 93次 閱讀
      醫療電子領域中,磁共振成像是必不可少的環節

      uCOS實時多任務操作系統的學習筆記

      基于第四代圓夢小車 —— FIRA 設計了一個使用 STM32 的控制板(詳細介紹見項目中的說明: ....
      發表于 06-10 17:54 ? 50次 閱讀
      uCOS實時多任務操作系統的學習筆記

      STM32單片機的基本原理和CUBE應用詳細說明

      第一章 STM32基本原理 –學習STM32需要從原理入手,為硬件、軟件、操作系統、工程實踐學習打下....
      發表于 06-10 08:00 ? 90次 閱讀
      STM32單片機的基本原理和CUBE應用詳細說明

      醫療電子有哪些優點

      從全球范圍來看,市場對醫療電子產品的需求越來越大,尤其是對計算機斷層掃描儀、磁共振儀、高檔超聲波診斷....
      發表于 06-09 17:17 ? 149次 閱讀
      醫療電子有哪些優點

      STM32 系列芯片已經實現了ST全系列支持

      亮點功能3:除了支持 STM32 系列芯片外,當前 Studio 也具備了加入其它廠商芯片的能力。后....
      的頭像 lhl545545 發表于 06-09 15:34 ? 321次 閱讀
      STM32 系列芯片已經實現了ST全系列支持

      STM32軟件開工具IAR KeyGenYYC的應用程序免費下載

      本文檔的主要內容詳細介紹的是STM32軟件開工具IAR KeyGenYYC的應用程序免費下載。
      發表于 06-09 08:00 ? 49次 閱讀
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      STM32F103VCT6飛控硬件設計原理圖庫資料合集免費下載

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      發表于 06-09 08:00 ? 69次 閱讀
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      國內首臺超快掃描隧道顯微鏡,實現飛秒級時間分辨和原子級空間分辨

      近日,北京大學量子材料科學中心江穎教授與中科院物理研究所孟勝研究員、翁羽翔研究員以及北京大學/中國科....
      的頭像 知社學術圈 發表于 06-08 14:51 ? 335次 閱讀
      國內首臺超快掃描隧道顯微鏡,實現飛秒級時間分辨和原子級空間分辨

      77條STM32知識你不得不知!

      STM32復位有三種:系統復位、上電復位、備份區域復位。其中系統復位除了RCC_CSR中的復位標志和....
      的頭像 玩轉單片機 發表于 06-05 14:50 ? 888次 閱讀
      77條STM32知識你不得不知!

      使用STM32單片機實現雙輪自平衡智能小車的設計與實現學習PPT課件

      本文檔的主要內容詳細介紹的是使用STM32單片機實現雙輪自平衡小車的設計與實現學習PPT課件免費下載....
      發表于 06-05 08:00 ? 49次 閱讀
      使用STM32單片機實現雙輪自平衡智能小車的設計與實現學習PPT課件

      中國研制出全球最薄厚度的單分子電子器件,電子輸運能力可調節

      半導體被喻為國家的“工業糧食”,其中硅基微電子器件占據了主導地位,但硅基器件小型化正逐步逼近其物理極....
      的頭像 牽手一起夢 發表于 06-04 17:45 ? 612次 閱讀
      中國研制出全球最薄厚度的單分子電子器件,電子輸運能力可調節

      撥開重重迷霧,找尋激光粒度儀測試異常的“真兇”

      上世紀80年代,受美國波士頓 128 號公路以及硅谷的影響,在北京中關村,一批批科技人員“下?!?,....
      的頭像 新材料在線 發表于 06-04 09:15 ? 434次 閱讀
      撥開重重迷霧,找尋激光粒度儀測試異常的“真兇”

      STM32F103C8T6核心板的資料合集免費下載

      本文檔的主要內容詳細介紹的是STM32F103C8T6核心板的資料合集免費下載包括了:STM32F1....
      發表于 06-04 08:00 ? 92次 閱讀
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      FS7140 我

      或FS7145是一款單芯片CMOS時鐘發生器/再生器IC,旨在最大限度地降低各種電子系統的成本和元件數量。通過I2C總線接口,FS7140 / 45可以適應許多時鐘發生要求。參考和反饋分頻器的長度,精細的粒度和后分頻器的靈活性使FS7140 / 45成為最靈活的獨立PLL時鐘發??生器。 特性 極其靈活且低抖動的鎖相環(PLL)頻率合成 無外部環路濾波器組件需要 150 MHz CMOS或340 MHz PECL輸出 可通過I2C總線完全配置 Up四個FS714x可用于單個I2C總線 3.3 V操作 獨立的片上晶體振蕩器和外部參考輸入 累積抖動非常低 應用 終端產品 精確頻率合成 低頻時鐘倍增 激光打印機(FS7145) 視頻行鎖定時鐘生成 電路圖、引腳圖和封裝圖...
      發表于 07-31 16:02 ? 50次 閱讀
      FS7140 我

      TO294YSX 10Gb / s冷卻EML即可

      Broadcom TO294YSx是一款10Gb / s光發射機系列,在TO-中集成了高速電吸收激光器(EML),微型TEC和監視器PD??赏S包裝。它設計用于小型可插拔收發器和其他類型的光模塊,用于高速電信和數據通信應用,包括SONET OC-192,SDH STM-64和10G以太網。 功能 數據速率高達10.7 Gb / s  鏈接距離最大40 km,速度為10 Gb / s 溫度穩定 TEC功耗非常低 50Ω單端數據輸入 外殼工作溫度范圍:-40至+85°C 應用 10G光收發器模塊(XFP,X2,XENPAK和SFP +) 用于SONET / SDH的300針轉發器 10GbE接口 線卡 100GHz信道間隔DWDM...
      發表于 07-04 11:19 ? 88次 閱讀
      TO294YSX 10Gb / s冷卻EML即可

      247E-1490 247E-1490

      247Ex-1490是一款單模邊緣發射激光二極管芯片,發射波長為1490 nm,適用于輸出功率高達75 mW的非制冷應用。該設計是在n型襯底上生長的帶帽的臺面掩埋異質結構(CMBH),具有多量子阱(MQW)有源層和分布反饋(DFB)光柵層??堂嬖谇翱堂嫔贤坑锌狗瓷鋵?,在后刻面上涂有高反射涂層。在p側和n側都提供金焊盤。出于識別目的,芯片兩側都會出現一個十六進制數字。所有激光芯片都來自已經使用代表性的許多器件進行認證的晶片,這些器件必須達到可接受的老化和多溫度CW測試產量。每個出廠裸芯片都在25攝氏度下進行脈沖測試。 特性 高輸出功率 低光束發散角 可粘合結合或結合 久經考驗的現場可靠性歷史悠久 設計可靠性,包括高質量MOCVD外延 專利低滲透歐姆p接觸設計 專利的接合側焊盤,提供焊料滲透的屏障 工作溫度– 5°C至+ 75°C...
      發表于 07-04 10:56 ? 38次 閱讀
      247E-1490 247E-1490

      725VR 725VR

      725型25 Gb / s EML芯片載體(CoC)是一種光學子組件,由1.3微米電子吸收調制激光器組成( EML)安裝在金屬化平臺上。  CoC已經過吹掃和電光測試,可支持25 Gb / s的應用。 該載波有四個LAN-WDM波長通道,共4次; 25Gb / s傳輸。 功能 能夠傳輸高達28 Gb / s LAN-WDM平均值為~1296,1300,1305標稱值1309 nm,4次; 25/28 Gb / s傳輸應用 工作溫度45~60℃ CMBH多量子阱DFB結構 高度可靠 用于高ER /低Vpp的高帶寬調制器...
      發表于 07-04 10:56 ? 104次 閱讀
      725VR 725VR

      247E-1310 247E-1310

      247Ex-1310是一款單模邊緣發射激光二極管芯片,發射頻率為1310 nm,適用于輸出功率高達75mW的非制冷應用。該設計是在n型襯底上生長的帶帽的臺面掩埋異質結構(CMBH),具有多量子阱(MQW)有源層和分布反饋(DFB)光柵層??堂嬖谇翱堂嫔贤坑锌狗瓷鋵?,在后刻面上涂有高反射涂層。在p側和n側都提供金焊盤。出于識別目的,芯片兩側都會出現一個十六進制數字。所有激光芯片都來自已經使用代表性的許多器件進行認證的晶片,這些器件必須達到可接受的老化和多溫度CW測試產量。每個出廠裸芯片都在25攝氏度下進行脈沖測試。 特性 高輸出功率 低光束發散角 可粘合結合或結合 久經考驗的現場可靠性歷史悠久 設計可靠性,包括高質量MOCVD外延 專利低滲透歐姆p接觸設計 專利的接合側焊盤,提供焊料滲透的屏障 工作溫度– 5°C至+ 75°C...
      發表于 07-04 10:56 ? 48次 閱讀
      247E-1310 247E-1310

      AFCD-V54JZ 25 Gb / s 1x4陣列氧化物VCSEL

      Broadcom AFCD-V54JZ 850nm 25 Gb / s 1x4陣列氧化物GaAs基垂直腔面發射激光器(VCSEL),具有150微米厚的基板。   VCSEL陣列專為高速光數據通信應用而設計,可產生圓對稱的窄光束,通過適當的鏡頭,可將光功率有效耦合到50 / 125um和62.5 / 125um多模光纖中。 / div> 功能 850nm波長范圍 數據速率從DC到25Gb / s 高功率輸出  適用于非密封環境 應用 100GbE QSFP28有源光纜(AOC)
      發表于 07-04 10:55 ? 145次 閱讀
      AFCD-V54JZ 25 Gb / s 1x4陣列氧化物VCSEL

      AFCD-V51KC1 25 Gb / s氧化物VCSEL

      Broadcom AFCD-V51KC1 850nm 25 Gb / s氧化鎵GaAs基垂直腔面發射激光器(VCSEL),具有150微米厚的基板。   VCSEL專為高速光數據通信應用而設計,可將光功率有效耦合到50 / 125um和62.5 / 125um多模光纖中。 功能 850nm波長范圍 數據速率從DC到25Gb / s 符合100 Gb以太網 高功率輸出  適用用于非密封環境 應用程序 25GbE SR SFP28可插拔收發器 25GbE SFP28有源光纜(AOC)
      發表于 07-04 10:55 ? 32次 閱讀
      AFCD-V51KC1 25 Gb / s氧化物VCSEL

      AFCD-V21KA2 10 Gb / s 850nm氧化物VCSEL

      Broadcom AFCD-V21KA2是一款850nm 10 Gb / s氧化鎵GaAs基垂直腔面發射激光器(VCSEL),具有150微米厚的基板,專為高速光學設計數據通信應用。   VCSEL設計用于符合IEEE 802.3ae 10GBASE-SR的10Gb / s以太網鏈路,可將光功率有效耦合到50 / 125um和62.5 / 125um多模光纖中。 功能 850nm波長范圍  數據速率從DC到10.3125 Gb / s  溫度范圍從5C到+ 75C 適用于非密封環境 應用 10GbE SR SFP +可插拔收發器 10GbE SFP +有源光纜(AOC) )...
      發表于 07-04 10:55 ? 70次 閱讀
      AFCD-V21KA2 10 Gb / s 850nm氧化物VCSEL

      AFCD-V51KC 28 Gb / s氧化物VCSEL

      Broadcom AFCD-V51KC是一款850nm 28 Gb / s氧化鎵GaAs基垂直腔面發射激光器(VCSEL),具有150微米厚的基板。   VCSEL專為高速光數據通信應用而設計,可將光功率有效耦合到50 / 125um和62.5 / 125um多模光纖中。 功能 850nm波長范圍 數據速率從DC到28Gb / s 高功率輸出  適用于非密封環境 應用 25GbE SFP28有源光纜(AOC)
      發表于 07-04 10:54 ? 113次 閱讀
      AFCD-V51KC 28 Gb / s氧化物VCSEL
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