基于dsPIC30的超短波理疗仪检测系统设计

程继旺

(天津市中医药研究院 附属医院，天津 300120)

基于dsPIC30的超短波理疗仪检测系统设计

程继旺

(天津市中医药研究院 附属医院，天津 300120)

摘要针对超短波理疗仪存在系统分辨率与精度较低的问题，文中分析了超短波理疗仪的技术架构与其检测系统的结构，构建基于dsPIC30F6010数字信号控制器和AD7176模数转换芯片的超短波理疗仪检测系统。并分析其软件算法流程，经过系统对实际信号进行的检测处理，对比处理前后的信号结果，可降低其信噪比，且大幅提高了其精度和分辨率。

关键词超短波理疗仪；检测系统；软件流程；分辨率

在现代医学临床治疗中，如何在提高治疗效果的同时减轻患者痛苦已成为医学研究领域的热门课题。作为一种较为传统的治疗仪器，超短波理疗仪是建立在电子管振荡产生超短波高频电场的工作原理基础之上治疗仪器设备[1]。

超短波理疗法是将患者放置于超短波理疗仪各个电极之间，通过向电极施加高频电场，利用电容电极输出能量，促使患者病变部位内部分子和离子受到高频电场作用之后，在其平行位置发生谐振，相互摩擦从而产生热效应。利用这种热效应，能促使患者受伤部位的表层与深层组织均匀受热，增强血管通透性，改善组织内部血液系统微循环，调节患者内分泌系统功能，增强组织机体的新陈代谢，降低感觉神经的疼痛兴奋性，进而起到抑菌、消炎、止痛、解痉的作用，能够大幅度促进内部血液的循环与受伤组织的修复，实现增强机体免疫力的治疗目的。当前，超短波理疗仪在现代医疗领域中的作用较为重要[2]。

在超短波理疗仪被广泛应用的同时，也存在着频响性能、调谐电路稳定性有待进一步提高的问题，解决此类问题的关键在于提高超短波理疗仪检测系统的系统分辨率、检测精度和检测稳定性[3]。针对当前医疗领域中使用的超短波理疗仪存在的问题，设计了以dsPIC30为控制核心的超短波理疗仪检测系统，以实现高分辨率、高精度和高稳定性的检测功能。

1超短波理疗仪系统构成

在现代物理学中，超短波电流通常指的是波长为1～10 m，工作频率为30～300 MHz的射频电流，而在西方国家的相关领域中，由于短波和超短波并未进行确切的划分，所以均通称为短波或射频。在进行超短波理疗时，人体内部离子和带电胶体颗粒在超短波的作用下，感应出的位移电流和传导电流在人体内部产生不同程度的生物学效应和热效应。生物学效应发生在较低强度的超短波理疗过程中，在这种理疗情况下，人体内部组织并未产生明显的温度提升，而是发生较强的生物学效应。热效应则是指在进行超短波理疗时，发生人体内部组织发热，并进而逐渐产生整体发热的状况。在进行低强度超短波理疗时，生物学效应较热效应更明显，而随着超短波理疗强度的增加，热效应效果明显高于生物学效应[4]。

图1　超短波理疗仪系统结构图

如图1所示，超短波理疗仪系统由超短波信号处理与控制器、超短波理疗仪检测系统、超短波强度控制模块、供电系统采样模块、调压控制模块和外部接口输入输出模块等6部分组成。其中，超短波信号处理与控制器是超短波理疗仪系统的核心，主要对采集到的信号进行分析、处理，根据处理结果设计超短波控制策略，并采取相应控制措施。超短波理疗仪检测系统对超短波信号进行隔离采样、检波处理、实时采样、带通滤波等。超短波强度控制模块是根据超短波信号处理与控制器发出的控制命令对超短波强度进行相应的控制操作，保证超短波强度稳定在要求的范围之内[5]。

由于超短波受供电电压的幅值和频率影响较大，故超短波理疗仪对电源系统的稳定性要求较高，设计供电系统采样模块，对供电系统的电压、电流进行实时采样，将采样结果送到超短波信号处理与控制器，其对采集的供电系统的电压、电流进行分析处理，通过调压控制模块进行反馈控制，使得供电系统能提供稳定电源电压和电流。外部接口输入输出模块主要指的是显示屏、键盘、鼠标等，既可以显示超短波理疗仪的实时状况，也可对超短波理疗仪进行外部接口控制和人为操作。

2超短波理疗仪检测系统

在超短波理疗仪系统中，检测系统是其中的关键，此部分对超短波运行状况进行检测，是超短波理疗中患者身体状况的信号来源。超短波理疗仪检测系统是由DSC信号处理、A/D采集、检波电路、隔离采样环节、模式选择与频段设置模块、信号调频模块等部分组成，其结构图如图2所示。

图2　超短波理疗仪检测系统结构图

DSC信号处理是超短波理疗仪检测系统的核心环节，负责对A/D采集到的超短波信号进行分析，运用成熟算法对其进行解算，并采取信号调频处理，重新对超短波运行模式进行选择和对其频段进行重新设定[6]。A/D采集模块是将经过检波电路得到的模拟信号转换为数字信号，向DSC信号处理与控制器提供超短波数字信号的重要环节。A/D采集模块使用高精度、高分辨率的模数转换器AD7176作为模块核心，通过高集成交叉点多路复用器，构造高精度模数转换模块，为下一步的信号处理与控制提供信号来源。检波电路部分对产生的超短波模拟信号进行检波分析，从复杂传感输出系统中检测到正确反映超短波特性的模拟信号，最终输入A/D采集环节，转换为数字信号进行处理。隔离采样环节是对超短波信号进行信号隔离，防止非超短波信号的采集。模式选择与频段设置是对理疗过程中需要的超短波模式和频段进行细化设定，满足患者治疗所需的超短波频段[7]。信号调频环节是通过DSC信号处理分析之后，对未稳定的超短波模式和频段进行反馈调频处理，运用成熟的PID控制算法，经过信号调频处理后，使超短波模式和频段保持在所需的状态之下。

3超短波理疗仪检测系统主要电路设计

A/D采集部分是信号处理的数据来源，在检测系统中较为重要，现在生产高精度A/D数字芯片的厂家众多。其中，ADI公司是业界认可的数据转换和信号处理技术全球领先的供应商。作为领先业界40多年的高性能模拟集成电路(IC)制造商，ADI的产品用于模拟信号和数字信号处理领域。ADI公司研制的24位A/D芯片AD7176为具有高速、高分辨率、高精度的模数转换器，适用于处理较低带宽的采集信号。采用交叉N通道复用器，能将输入信号的处理设置为两个全差分输入的形式，采用高集成度数字集成电路工艺，较好的降低了外围电路的复杂结构。

图3　A/D采集模块电路图

检测系统的A/D采集模块电路结构图，如图3所示。其中，AVDD1是采集模块的前部电路的供电源，也为交叉N通道复用器进行供电。AVDD2则是芯片中1.8 V低压差线性稳压器的供电源，为芯片内部核心部分供电。IOVDD是芯片内部数字逻辑部分的供电源。同时，芯片内部也集成了2.5 V基准电压源，能通过设置相应配置位的方式来选择基准电压源来自内部或外部。数据采集模块的工作时钟是16 MHz，可通过内部振荡器、外部晶振或外部时钟源的方式来获得。采集模块的通信方式为SPI通信方式[8]。

为在提高数字信号处理速度的同时，也能降低成本与提高抗干扰能力，美国Microchip公司成功研制了dsPIC30F6010数字信号控制器。其是既具有单片机丰富的内部资源，又具有DSP数据处理功能的16位数字信号控制器。dsPIC30F6010的元件图如图4所示，具有80个引脚，并集成了大量的外围功能电路[9]。

图4　dsPIC30F6010数字信号处理器

dsPIC30F6010数字信号控制器内部采用新型的哈佛架构，便于地址寻址，总线传输速度较快，并具有较大容量的存储空间。内部集成了DSP引擎，处理速度快。此外，内部有较多资源配置，中断源、定时器、信号捕捉、比较等功能齐全[10]。

图5　超短波理疗仪检测系统软件流程图

超短波理疗仪检测系统中dsPIC30 F6010数字信号的软件流程，如图5所示。在开始运行后，进行超短波模式和频段的设置，然后判断超短波参数是否在正常范围内，若在正常范围内则等待设定命令，再设定采样命令，检测系统开始运行，进一步判断采样性能是否正确；若性能正确则等待理疗时间直至理疗时间停止，随之结束整个超短波理疗的检测过程。

4检测系统设计性能

在之前阐述的超短波检测理论与相关技术的基础之上，制作基于dsPIC30F6010数字信号控制器和AD7176模数转换芯片的超短波理疗仪检测系统，图6(a)为输入系统含有噪声的超短波信号，应用超短波理疗仪检测系统取其进行处理，得到处理后的结果，如图6(b)所示。

图6　超短波理疗仪检测系统信号处理结果

从超短波理疗仪检测系统信号处理前后的对比结果可知，经过基于dsPIC30的超短波理疗仪检测系统之后，输入系统的含噪信号的信噪比降低了47.6%，从而大幅提高了理疗仪的精度和分辨率。

5结束语

超短波理疗仪在现代医疗系统有着较广泛的应用，但也存在着系统分辨率与精度有待提高的问题。为解决这一问题，本文分析了超短波理疗仪的技术架构与其检测系统的结构，构建基于dsPIC30F6010数字信号控制器和AD7176模数转换芯片的超短波理疗仪检测系统，并分析其软件算法流程，经过对实际测得的信号进行检测处理，降低了其信噪比，大幅提高了其精度和分辨率。

参考文献

[1]晁元德.高精度24位模数转换器AD7176-2的原理及应用[J].自动化与仪器仪表,2014，22(8):79-81.

[2]余国军.开关磁阻电机dsPIC30F6010A控制系统研究[D].北京:中国矿业大学,2014.

[3]王健.基于微波和超声波的物质检测系统研究与实现[D].北京:北京工业大学,2014.

[4]丁宁,秦丽,马游春.基于FPGA和DSPIC30F6014A的数据记录器设计[J].电子技术应用,2014,40(11):85-87.

[5]王云光,种晓晨,程海凭.超短波理疗仪控制系统抗干扰设计[J].生物医学工程学进展,2015,36(3):150-152.

[6]王云光,范煦,程海凭,等.超短波理疗仪测控系统设计[J].生物医学工程系进展,2014,35(4):204-208.

[7]吉建功.基于单片机的桥梁挠度测量系统[D].北京:北京交通大学,2015.

[8]成珍,李向阳,陈玉贞,等.基于单片机的温室远程控制系统设计[J].电脑知识与技术,2015(22):130-131.

[9]赵华峰.基于单片机的火灾报警系统的设计与实现[J].电脑知识与技术,2015(25):184-185.

[10]董涛.基于单片机的液位监控系统的设计[J].自动化应用,2015,13(12):2-4.

Based dsPIC30 VHF Physiotherapy Detection System

CHENG Jiwang

(Affiliated Hospital of Tianjin Institute of Chinese Medicine, Tianjin 300120, China)

AbstractFor system resolution and accuracy is lower than that of the problems existing in the ultrashort wave therapy instrument, this paper analysis the structure of ultrashort wave therapy apparatus technology architecture and its detection system based on dsPIC30F6010 digital signal controller and ad7176 analog-to-digital conversion chip of ultrashort wave therapy instrument detection system. And analysis of its software algorithm process, after the system to detect the actual signal processing, the signal results before and after comparison, can reduce the signal to noise ratio, and greatly improve its accuracy and resolution.

Keywordsultrashort wave physiotherapy instrument; detecting system; software flow; resolving power

收稿日期:2015-11-07

作者简介:程继旺(1974-)，男，硕士，助理工程师。研究方向：医疗设备维修原理与应用。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.050

中图分类号TN911;R454.3

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-174-04