基于DSP的超声手术刀电源控制电路的研究

论文摘要

随着科学技术的发展,人们不断地寻求各式各样的工具和手段来治疗疾病。其中采用超声能量代替普通的手术刀粉碎、分离人体中的病变组织,以达到手术治疗目的的设备被称为“超声手术刀”。由于它更适用于需控制出血量少、创伤小、易对软组织进行治疗的场合而受到广泛的应用。超声手术刀的工作频率会在使用的过程中随着乳化组织的不同而发生变化。若不能够工作在谐振频率,大部分能量将消耗在内部的发热上,造成治疗过程中的困难,还会导致手术刀因温度过高而受损。超声手术刀的驱动电压由超声电源提供,只有及时的调整超声电源的频率,才能使振动系统保持工作在谐振状态,此时产生的效果才是最好的：电能将最大限度的传递到治疗头上,其振幅也将达到最大。为了实现这个目的,本文设计了一种基于DSP的超声手术刀电源控制系统。该系统不仅可以随超声手术刀的谐振频率点的改变作及时的调整,还能对超声电功率进行控制。全文共分六章。第一章为绪论；第二章确立了系统的总体设计方案；第三章按照功能模块介绍了系统硬件电路的设计；第四章为基于DSP的系统软件设计与开发；第五章对系统的电路和工作性能做了实验测试和数据分析；第六章是总结与展望。本论文主要工作及有关创新点包括：(1)对超声换能器在谐振附近的等效电路建立模型,通过实验和Matlab仿真研究了超声换能器的谐振频率特性。(2)设计并制作了基于DSP的超声手术刀电源的硬件控制系统。在电路的设计过程中,提出了具有精确基准频率下的数控PWM的电路方案,以此通过改变输出信号占空比的方式实现功率的微调可控。(3)设计了DSP的系统软件,提出了基于相位差和电流有效值协同判断谐振点方法,并结合变步长算法实现了谐振频率的快速自动跟踪。(4)对本系统的电路和工作性能做了测试,对数据进行了简要的分析。实验结果表明,本文所设计的基于DSP的超声手术刀电源控制系统能够使超声手术刀振动系统工作在谐振状态,所设计的软、硬件基本实现了预期的功能,具有可行性和一定的实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声手术刀的简介
• 1.3 超声电源
• 1.3.1 超声电源的发展史
• 1.3.2 超声电源的研究方向
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第2章 超声手术刀电源控制电路的系统分析
• 2.1 超声手术刀的简介
• 2.2 超声换能器的谐振频率特性研究
• 2.2.1 超声换能器的等效电路与参数
• 2.2.2 外加匹配电感后的工作特性
• 2.2.3 对匹配电感的研究
• 2.3 频率自动跟踪的依据
• 2.4 调整输出功率的方法
• 2.5 总体设计方案的确立
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于DSP的控制系统硬件电路的设计
• 3.1 硬件电路总体结构
• 3.2 电源电路
• 3.3 DSP最小系统
• 3.3.1 TMS320F2812概述
• 3.3.2 电源设计
• 3.3.3 时钟部分
• 3.3.4 JTAG接口部分
• 3.4 超声信号产生电路
• 3.4.1 AD9833概述
• 3.4.2 TMS320F2812与AD9833的接口电路
• 3.5 功率调整电路
• 3.5.1 数控的脉宽调节电路
• 3.5.2 半桥变换电路
• 3.6 驱动功放电路
• 3.7 采样信号处理电路
• 3.7.1 相位差检测电路
• 3.7.2 信号平移电路
• 3.8 DSP与外设接口电路
• 3.8.1 DSP与键盘的接口电路
• 3.8.2 DSP与液晶模块的接口电路
• 3.9 硬件电路设计注意事项
• 3.10 本章小结
• 第4章 基于DSP的系统软件设计与开发
• 4.1 系统开发简介
• 4.1.1 开发工具
• 4.1.2 CCS介绍
• 4.1.3 开发流程
• 4.2 控制系统软件总体设计
• 4.3 功能模块设计
• 4.3.1 初始化模块
• 4.3.2 PWM输出控制模块
• 4.3.3 频率跟踪模块
• 4.3.4 A/D采样模块
• 4.3.5 数据处理模块
• 4.3.6 液晶显示模块
• 4.3.7 按键控制模块
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验与结果分析
• 5.1 电路测试
• 5.1.1 调占空比前后对比图
• 5.1.2 数控半桥电路得到的两路反相同频波形图
• 5.1.3 ADC采样信号波形图
• 5.2 系统的工作性能测试
• 5.2.1 电流有效值与频率的关系
• 5.2.2 相位差大小与频率的关系
• 5.2.3 有功功率大小与频率的关系
• 5.3 频率自动跟踪测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢