小儿心室辅助装置专用驱动器的研制

【作 者】王伟，朱剑铭，王彬钧，张前庆 上海交通大学医学院附属儿童医学中心，上海市，007 上海交通大学医学院附属新华医院，上海市，0009 上海复旦大学附属华山医院宝山分院，上海市，00 上海上磁磁性材料有限公司，上海市，009

小儿心室辅助装置专用驱动器的研制

【作 者】王伟1，朱剑铭2，王彬钧3，张前庆4
1 上海交通大学医学院附属儿童医学中心，上海市，200127
2 上海交通大学医学院附属新华医院，上海市，200092
3 上海复旦大学附属华山医院宝山分院，上海市，200431
4 上海上磁磁性材料有限公司，上海市，200439

该文采用AVR16单片机，编写程序实现了软件PWM（脉宽调制）控制智能H桥芯片LMD18200驱动高速直流电机，自制了专用测速片，用普通光耦PC817采集高速的速度信号，通过A/D转换及处理电路，实现了LED液晶屏数字显示转速方案。该小儿心室辅助装置的专用驱动器目前已在实验室试用，具有较高的性价比和广泛的应用前景。

小儿心室辅助装置； AVR16单片机；智能H桥芯片；PWM；光耦；专用测速片

0 引言

小儿心室辅助装置必须由专用驱动器来驱动，目前临床上使用的进口德国产jorstra小儿心室辅助装置专用驱动器转速范围为0 ～5 000 rpm，使用电压为交流220 V变换为直流24 V供给高速直流电机，显示装置由四位LED数码管组成。jorstra品牌的手摇专用驱动器转速范围也为0～5 000 rpm，显示为转速定值时（逢百转显示）由LED发光二级管显示。进口的小儿心室辅助装置专用驱动器价格昂贵，并且要和小儿心室辅助装置配套购买。

为了与研发的小儿心室辅助装置配套实现国产化，减少小儿患者治疗的手术费用。我们开展了小儿心室辅助装置专用驱动器的研制，目前已在实验室试用，能与小儿心脏辅助装置配套使用，效果良好。

1 小儿心室辅助装置专用驱动器硬件的研制

1.1 单片机控制系统

小儿心室辅助装置专用驱动器系统框架如图1所示。

图1 小儿心室辅助装置专用驱动器系统框图Fig.1 Specific drive system block diagram of pediatric ventricular assist device

控制系统采用了美国ATmega公司生产的AVR 16单片机，它内部集成了大容量的存储器和强大的硬件接口电路，有AVR MEGE系列的全部功能。它具有丰富的片内资源，使系统简洁可靠，运算速度快，能达到1MIPS的处理速度，实现了智能控制算法；AVR16单片机中的MEGE系列具有强大的抗干扰能力，增强了工作时的安全性和可靠性。AVR 16单片机最小系统[1]如图2所示。

图2 AVR 16单片机最小系统图Fig.2 The smallest system diagram of AVR 16 single-chip

1.2 用于直流电机控制的集成智能功率电路

LMD18200D是美国国家半导体公司(NS)公司生产的用于直流电机控制的集成智能功率电路[2]，4个DMOS管构成的H桥及其控制逻辑电路封装在一个ll引脚的芯片。

集成智能功率电路LMD18200性能参数为：工作电压55 V；连续工作电流3 A；峰值电流高达6 A；每个开关器件的导通电阻典型值为0.3 Ω；输入信号兼容TTL和CMOS信号；具有温度报警、过热以及负载短路保护能力。

LMD18200引脚定义[2]如图3所示。

图3 LMD18200引脚定义Fig.3 Pin definitions of LMD18200

AVR 16单片机控制智能H桥芯片LMD18200，再驱动高速直流电机。自制了专用测速片，用普通光耦PC817采集模拟的转速信号，通过A/D转换及整形处理电路，实现了液晶屏数字显示转速方案。

2 小儿心室辅助装置专用驱动器软件的研制

本驱动器软件采用C语言编写程序实现了软件PWM[3]（脉宽调制电路）来控制智能H桥芯片LMD18200，再驱动高速直流电机。

AVR16单片机的定时/计数器共有3个，1个16 bit，2个8 bit。我们把T0作为定时器，T1、T2作为计数器，用来测量A/D转换及整形处理电路输出的高速直流电机的转速。测量高速直流电机转速的流程如图4所示。

图4 测量高速直流电机转速的流程图Fig.4 Flow chart of measuring the high-speed DC motor speed

PID控制算法[4]是控制系统中较典型的一种成熟的技术，本课题主要解决的是高速直流电机的闭环控制，牵涉到高速直流电机的电压、电流、转速和非线性问题。

在设定高速直流电机的转速后，经过AVR16单片机计算后产生的PWM（脉宽调制）波，再经过LMD18200放大[5]后的PWM（脉宽调制）波来控制高速直流电机转速。高速直流电机PID控制算法流程如图5所示。

图5 高速直流电机PID控制算法流程图Fig.5 Flow chart of high-speed DC motor PID control algorithm

3 专用驱动器研制的结果

测速没有采用一般的增量式光电编码器采集转速信号的方法，而是用了性价比较高，实现简单的用普通光耦PC817采集速度信号的方法。光耦又称光电耦合器（Optical Coupler；OC），以光为媒介来传输电信号，把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（基极开路的光敏半导体三极管）封装在同一管壳内，受光器接受红外光线之后就产生光电流，从输出端流出，它体积小寿命长、无触点抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在各个领域的数字电路上得到了广泛应用。实现“电—光—电”的转换。

自制了专用测速片，测速片用厚约1 mm的矩形长条铝条，开始时为了提高采集高速信号时灵敏度，把测速片做成针形宽度为1 mm长条铝条，实验时当电机高速运转时速度显示不正常，不能采集到实时高速信号。经讨论后判断为测速片宽度过窄，导致光耦PC817来不及响应。经过反复调整测速片的宽度，在把测速片调到到宽约2.5 mm宽度时，光耦PC817能够采集到实时的速度信号。

AVR单片机产生的PWM波控制集成智能功率组件LMD18200，实现了高速直流电机的驱动，能量转化率接近100%，做到高速直流电机精确的控制。

AVR单片机连接直流电机驱动模块，所编程序实现了直流电机的正反转，刹车控制；通过定时器实现中断，从IN1和IN2输出PWM，使用24 MHz的主频时PWM频率为10 kHz。

AVR单片机输出不同的PWM波（脉冲频率决定电动机转速，脉冲宽度决定电动机转向）给LMD18200驱动电机运转。

驱动电路对应的高速直流电机容量的选用：

高速直流电机容量为P=U×I=24 V×2 A=48 W，取整为50 W。

考虑到驱动功率需要驱动的是电感性负载，必须有一定富裕量，选用的高速直流电机功率为60 W。

人机接口电路包括键盘和液晶屏显示，液晶屏用来实时显示高速电机的转速。

4 展望

实验证明：当驱动装置转速在3 000～5 000 rpm，该装置与磁耦合血泵匹配良好，能同步运转，显示速度正常。在实际的临床手术中心脏辅助装置的转速要求为4 000 rpm，所以研发的磁耦合血泵驱动装置能满足实验室的试验要求。

该小儿心室辅助装置专用驱动器具有使用方便，易于控制、体积小、驱动能力强等特点，具有较高的性价比，目前已在上海儿童医学中心的实验室试验装置中得到了配套应用，使用效果良好具有广泛的应用前景。

[1] 陈忠平. ATmega16单片机C语言程序设计经典实例[M]. 北京:电子工业出版社, 2013.

[2] www.dzsc.com/datasheet/LMD18200_452378.html.

[3] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京: 机械工业出版社，2003.

[4] 王划一. 自动控制原理[M]. 北京：国防工业出版社，2006.

[5] 江晓安, 董秀峰. 模拟电子技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2006.

Development of Special Drive Pediatric Ventricular Assist Device

【Writers】WANG Wei1, ZHU Jianming2, WANG Binjun3, ZHANG Qianqing3
1 Shanghai Children’s Medical Center Affiliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai, 200127
2 Xin Hua Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai, 200092
3 Shanghai Baoshan Branch of Huashan Hospital Affiliated to Fudan University, Shanghai, 200431
4 Shanghai Magnetic Material Co. Ltd., Shanghai, 200439

This paper uses AVR16 SCM, programming to achieve the software of PWM (pulse width modulation) control of intelligent H bridge chip LMD18200 driver of high speed DC motor, makes special speed tablet, obtains speed signal of high speed for photocoupler PC817, through the A/D conversion and processing circuit, and realizes the LED LCD digital display speed scheme. The driver for the pediatric ventricular assist device has been used at the laboratory trial, has high performance and wide application prospect.

pediatric ventricular assist device, AVR16 MCU, intelligent H bridge chip, PWM, optocoupler, special speed tablet

R726.5

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.02.008

1671-7104(2015)02-0105-03

2014-11-05

上海市科委重点支撑项目（144900700）

王伟，E-mail: wangweicpb@yahoo.com

朱剑铭，E-mail: jming_zhu@sina.cn