多频振动排石仪控制系统

黄亮

摘 要：作为自动医疗设备，振动排石仪被广泛应用于临床实践中。但目前市场上的医用振动排石仪大多设计简单、操作繁琐且缺乏稳定性。为克服上述问题，设计了一个稳定便捷的振动排石仪。排石仪采用STM32F103微控制器作为核心，用于电机驱动控制和数据处理。通过可变PWM波的占空比来控制电机的转速。排石仪控制系统使用MOS管IRF840构建驱动电路。电机速度由速度采集电路反馈给微控制器，构建闭环控制系统以调节电机转速。采用蓝牙模块实现无线数据的收发。排石仪操作简单，仅需触屏即可控制，并通过液晶显示屏显示出来;电路安全可靠，包含多种保护和报警电路设计;系统采用PID算法调节振动频率，具有稳定、调速快捷等优点。

关键词：排石仪;频率控制;STM32;PID;MOS管;驱动电路

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）03-00-03

0 引 言

泌尿系结石是一种非常古老的疾病，是泌尿外科的常见病之一，传统的治疗方法为开放手术和药物溶石排石法。随着科技的进步，微创科技飞速发展并逐渐成熟，已成为泌尿系结石的主要治疗方法。泌尿系结石的微创法包括经皮肾镜取石、经输尿管申镜取石、经尿道膀胱镜碎石取石和体外冲击波碎石等。其中，体外冲击波碎石无需在患者身上开刀手术，属于无创治疗，是治疗泌尿系结石公认的首选方法[1]。

较大泌尿结石可通过体外碎石机治疗。体外碎石机产生冲击波，由机器聚焦后对准结石，经过多次释放能量而击碎体内的结石，使之随尿液排出体外。但由于肾脏和输尿管的结构问题，许多粉碎后的结石不易排出，常常需要数周甚至三个月才能排干净，既增加了患者的心理负担或可能的痛苦，也容易造成残石复发。为了加快排石过程，医生常常建议患者术后多喝水，并辅以跳动、拍打、跑步或者倒立等排石措施[2]。虽然起到一定效果，但患者难于定量掌握，对体弱和年老患者而言，执行较困难。

在目前医院治疗肾结石患者的仪器中，未发现该类仪器的使用，患者接受碎石治疗后，如需体外排石则按医嘱在家中让家人帮忙用手拍打肾区，不仅不安全，还会影响治疗效果，延长治疗时间，更增加了家人的负担，浪费工作、休息时间[3]。

1 工作原理

排石仪根据临床腰部物理治疗原理（定向体位引流），在人体表面产生特定方向周期变化的治疗力，该定向治疗力穿透力强，可穿透皮层、肌肉、组织和体液，其垂直方向分力产生的叩击、震颤可促使呼吸道粘膜表面结石和代谢物松弛、液化，水平方向分力产生的定向挤推、震颤帮助碎片化结石按照选择的方向（细支气管-支气管-气管）排出体外[4]。

由于排石仪治疗力的深穿透性强，产生的定向治疗力可穿透皮层、肌肉、组织和体液，对于深度的痰液排出效果明显，在叩击、震颤和定向挤推工作间隔期间，作用力变化较为缓和，患者舒适感增强，尤其是耐受力较差的患者[5]。

排石仪工作原理如图1所示。

排石仪的治疗由直流电机带动传动软轴实现。电机旋转过程中产生水平方向的水平力和垂直方向的垂直力，水平力与垂直力合为合力。在合力的作用下，治疗头作用于患者身体表面，产生定向推挤治疗力，这种治疗力会将患者体内的结石顺着其方向排出体外。

2 技术指标

排石仪系统具体性能指标如下：

（1）正常工作条件

①环境温度：0～40 ℃;

②电源：AC 220 V;

③输入功率：150 VA。

（2）频率范围

10～60 Hz（600～3 600 r/min），频率可调，步距为1 Hz。

（3）定時时间

1～60 min可调，步距为1 min。

根据本次设计的任务书，主要实现的功能如下：

（1）驱动100 W直流电机，附加软轴达到振动效果;

（2）搭建人机交互界面，使用液晶显示屏显示振动频率和定时时间，采用1个发光二极管显示排石仪运作状态;

（3）使用蜂鸣器构成报警电路，工作异常和工作结束时蜂鸣器报警;

（4）触摸屏设置5个按键，分别为工作启动按键、频率增加按键、频率减小按键、定时时间增加按键、定时时间减小按键;

（5）根据要求输出不同占空比的PWM波控制MOS管，从而控制电机转速;

（6）采用光码盘测量转速，采用PID算法实现系统闭环，达到预期振动频率;

（7）系统工作稳定。

3 系统方案设计

3.1 系统方案选择

方案一：使用FPGA作为排石仪系统的主控芯片，其具有如下优点：

（1）FPGA运行速度快，其内部集成了锁相环，在高速场合优势明显;

（2）FPGA管脚多，具有丰富的I/O资源，容易实现大规模系统;

（3）FPGA内部程序并行运行，工作效率高。

方案二：使用DSP作为排石仪的主控芯片。DSP芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用来快速实现各种数字信号处理算法。

方案三：使用单片机作为排石仪的主控芯片。单片机作为使用最普及的微控制器，具有成本低、外设资源多和学习资料丰富等特点。

排石仪系统规模较小，仅需控制系统工作时间与PWM波占空比，通过捕获电平变化的方式测量电机转速，采用数码管和按键显示控制系统状态，并加入简单的PID算法。本文设计无需使用速度较快、运行效率高的FPGA，也无需使用具备硬件乘法器、提供数字信号处理指令的DSP，单片机即可满足需求。单片机的定时器可满足定时和输出PWM的需求，外部中断可满足捕获电平的需求，普通I/O口即可控制数码管及实现按键扫描。因此，本文设计选用单片机作为主控芯片。

3.2 系統总体设计

基于单片机的多频振动排石仪控制系统主要由四个模块构成，分别为人机交互模块（包括触摸屏控制与液晶屏显示），无线传输模块，输出控制模块，转速检测模块和直流电机模块。人机交互模块用于显示工作状态，输出控制模块用于控制电机转速，转速检测模块用于测量电机的实时速度，直流电机模块用于产生振动。仪器的硬件框图如图2所示。

单片机用以控制电机驱动、触摸屏、液晶显示屏、蜂鸣器和速度检测模块。

本次设计需要用到如下四路电源：

（1）第一路为直流电机驱动电源，因需要满足较高的振动频率，所以选用的电机功率相对较大，本文系统将220 V电压整流得到直流驱动电压;

（2）第二路为MOS栅极驱动电源，选用12 V电压;

（3）第三路为数码管与光电对管的电源，电压为5 V;

（4）最后一路电源为3.3 V，为单片机和蜂鸣器供电。

方案的软件功能图如图3所示。

由系统总体设计方案与硬件设计可知，本文系统需要用到液晶屏显示系统的振动频率与定时时间;需要用触摸屏控制的五个按键来调整振动频率、定时时间与系统状态;需要对系统进行0～60 min的定时;需要实时检测直流电动机的转动速度;需要使用PID增量式算法对电机转速加以控制，使其达到期望值;需要使用蜂鸣器对系统状态报警。

排石仪系统涉及的程序包括触摸屏控制、速度检测、液晶屏显示、治疗时间设置（定时器服务子程序）和速度控制（PWM输出定时器服务子程序）。为了使程序便于阅读且条理清晰，在设计过程中将主程序结构中的子程序写入各.c文件中，以便在主程序里加以调用。

3.3 方案主要器件选型

3.3.1 单片机的选型

设计中需要用到的I/O口包括液晶屏控制（8个），无线传输模块（8个），蜂鸣器报警（1个），LED状态显示（1个），测速（1个）和PWM波输出（1个）。另外需要定时器中断，外部中断等资源。根据这种情况，设计选用64引脚的STM32F103RCT6。STM32系列单片机基于ARM Cortex-M内核，具有性能高、成本低和功耗低等特点[6]。这款芯片在电子行业应用广泛，且学习资源丰富，可快速上手。

3.3.2 直流电机的选型

根据治疗力的大小，本文设计确定所用电机转速应小于4 000 r/min。由于在电源方案中，直流电机供电电压由220 V交流电压整流而来，所以直流电机额定电压不应过小（大于100 V）。另外，根据其供电电流的限制，电机的额定电流不应过大（小于3 A）。根据上述要求，本文设计确定所用电机型号为70ZYT60。该永磁直流电机的额定电压为110 V，额定电流为1.3 A，额定功率为100 W，最高转速为3 600 r/min。

4 结 语

完成硬件搭建与程序下载后，液晶屏可正常显示10～60 Hz的振动频率;排石仪系统可实现1～60 min的定时时间控制;可通过触摸屏按键控制系统振动频率加减，步距为1 Hz;可通过触摸屏按键控制系统定时时间，步距为1 min;可通过触摸屏上的开关按钮控制系统的启动和停止;可通过测速模块检测转速并通过PID调节速度，使其振动频率稳定;可及时报警;可通过蓝牙模块实现无线数据的收发。

参 考 文 献

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