摘要: 介紹了一種基于恒流驅(qū)動(dòng)電路LM3402 的新型LED無(wú)影燈控制系統(tǒng), 分析了恒流驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)成以及微處理器的控制方法。實(shí)踐證明,該系統(tǒng)能夠滿足手術(shù)無(wú)影燈的各項(xiàng)要求,工作穩(wěn)定可靠,而且提高了無(wú)影燈的使用性能,降低了功耗。
引言:
無(wú)影燈是用來(lái)照明外科手術(shù)部位不可缺少的重要設(shè)備, 要求能以最佳地觀察處于切口和體腔中不同深度、大小、對(duì)比度低的物體。因此, 除需要“ 無(wú)影” 以外,還需要光照度均勻、光質(zhì)好, 能夠很好地區(qū)分血液與人體其他組織、臟器的色差。此外, 無(wú)影燈還須能長(zhǎng)時(shí)間地持續(xù)工作, 而不散發(fā)出過(guò)量的熱, 因?yàn)檫^(guò)熱會(huì)使手術(shù)者不適, 也會(huì)使處在外科手術(shù)區(qū)域中的組織干燥。
目前手術(shù)燈一般都采用環(huán)形節(jié)能燈或鹵素?zé)簦?但隨著發(fā)光二極管LED 技術(shù)的不斷發(fā)展, 特別是高亮度白光LED 的發(fā)展,LED 無(wú)影燈徹底解決了環(huán)形節(jié)能燈自身存在的先天缺陷, 是環(huán)形節(jié)能燈的升級(jí)換代產(chǎn)品。目前,LED 無(wú)影燈的優(yōu)越性逐漸被顯微鏡使用者所了解和接受, 使用成本亦較環(huán)形節(jié)能燈低, 減少了每1~2 個(gè)月就需更換環(huán)形燈管的麻煩。
LED 無(wú)影燈的優(yōu)點(diǎn)有:
(1) 出色的冷光效果: 采用新型的LED 冷光源作為手術(shù)照明, 是真正冷光源, 醫(yī)生頭部和傷口區(qū)域幾乎無(wú)溫升。
(2) 光質(zhì)好: 白光LED 具有區(qū)別于普通手術(shù)用無(wú)影燈光源的色品特點(diǎn), 可以增加血液與人體其他組織、臟器的色差, 使得手術(shù)中醫(yī)生的視覺(jué)更加清晰, 在流淌、滲透的血液中人體的各個(gè)組織、臟器更容易被區(qū)分出來(lái),這是普通手術(shù)用無(wú)影燈所不具備的。
(3) 亮度無(wú)級(jí)調(diào)節(jié): 采用數(shù)字方式無(wú)級(jí)調(diào)控LED 的亮度, 操作者可根據(jù)自身對(duì)亮度的適應(yīng)性隨意調(diào)節(jié)亮度, 使其達(dá)到最為理想的舒適度, 使長(zhǎng)時(shí)間工作的眼睛不易產(chǎn)生疲勞感。
(4) 無(wú)頻閃: 因?yàn)長(zhǎng)ED 無(wú)影燈為純直流供電, 無(wú)頻閃, 不易使眼睛產(chǎn)生疲勞感, 亦不會(huì)對(duì)工作區(qū)域的其他設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。
(5) 光照度均勻: 采用特殊的光學(xué)系統(tǒng),360°均勻照射在被觀察物體上, 無(wú)虛影產(chǎn)生, 清晰度高。
(6) 壽命長(zhǎng):LED 無(wú)影燈平均壽命長(zhǎng)(35 000 h), 遠(yuǎn)大于環(huán)形節(jié)能燈(1 500~2 500 h) , 壽命為節(jié)能燈的十倍以上。
(7) 節(jié)能環(huán)保:LED 具有較高的發(fā)光效率, 耐沖擊,不易破碎、無(wú)汞污染, 且其發(fā)出的光不含紅外和紫外成分的輻射污染。
該系統(tǒng)基于高亮度白光LED 陣列,由一個(gè)LM3402 控制一組發(fā)光二極管,根據(jù)設(shè)定的照度,微處理器P89LPC932 通過(guò)脈寬調(diào)制進(jìn)行恒流控制。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 總體結(jié)構(gòu)
由于單個(gè)LED 的發(fā)光效率不能滿足手術(shù)無(wú)影燈的光照強(qiáng)度和均勻性的要求, 因此需要用多個(gè)LED 組成陣列, 并要求排列合理, 分布均勻, 使得每個(gè)目標(biāo)平面的光照度符合要求, 以此來(lái)決定LED 的數(shù)量以及分布規(guī)則。
雖然LED 的發(fā)光效率高, 產(chǎn)生的熱量少, 但是如此多的LED 在一個(gè)密封的箱體內(nèi), 還是會(huì)產(chǎn)生大量的熱量, 溫度甚至?xí)哌_(dá)60℃~80℃, 所以必須合理設(shè)計(jì)散熱器以及散熱通道, 以有效地降低系統(tǒng)熱阻。
LED 手術(shù)無(wú)影燈由多個(gè)燈頭組成, 成花瓣?duì)睿?固定在平衡臂懸掛系統(tǒng)上, 定位穩(wěn)定, 能做垂直或循環(huán)移動(dòng),可滿足手術(shù)中不同高度和角度的需求。整個(gè)無(wú)影燈有144 個(gè)高亮度白色LED,8 個(gè)串聯(lián)成一組, 即稱為高亮度發(fā)光二極管串HBLEDs(High Brightness Lighting EmittingDiode) , 以18 組并聯(lián)而成。每組相互獨(dú)立, 若有一組損壞, 其他照樣能夠繼續(xù)工作, 所以對(duì)手術(shù)的影響較小。每組由一個(gè)LM3402 單獨(dú)進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng), 并根據(jù)用戶需要,接受一個(gè)微處理器(CMU)P89LPC932 的PWM 脈寬調(diào)節(jié)控制, 可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié), 流過(guò)每個(gè)LED 的電流約為120 ~320 mA。LED 無(wú)影燈電氣原理圖如圖1 所示。
圖1 LED 無(wú)影燈電氣原理圖。
1.2 操作面板
操作面板上有4 個(gè)按鈕( 環(huán)境照明、關(guān)閉、調(diào)亮和調(diào)暗按鈕)和8 個(gè)LED 指示燈。按下環(huán)境照明按鈕, 表示只需腔鏡環(huán)境照明, 只留下其中一路的3 個(gè)LED 用于照明, 而關(guān)閉其余LED 發(fā)光二極管串; 按下關(guān)閉按鈕, 將熄滅所有8 路LED 發(fā)光二極管串, 再次按下此按鈕, 則可以回到原照度顯示狀態(tài), 掉電或重啟也可回到設(shè)定照度狀態(tài); 調(diào)亮和調(diào)暗按鈕用于改變無(wú)影燈的照度, 對(duì)應(yīng)8 個(gè)指示燈, 指示8 擋亮度, 從左到右每增加一擋就增加一個(gè)指示LED 點(diǎn)亮, 無(wú)影燈處于關(guān)燈狀態(tài)時(shí), 最右邊2 個(gè)指示LED 點(diǎn)亮。所有操作信息均是通過(guò)RS485 總線傳輸給驅(qū)動(dòng)板MCU?。
1.3 驅(qū)動(dòng)板
驅(qū)動(dòng)板是整個(gè)無(wú)影燈控制器的核心, 主要由一個(gè)MCU P89LPC932 和18 路LM2402 恒流穩(wěn)壓電路組成,還包含RS485 通信電路。
P89LPC932 是由飛利浦公司生產(chǎn)的低功耗的MCU,電源電壓3.3 V, 可低功耗運(yùn)行, 適合于許多要求高集成度、低成本的場(chǎng)合, 可以滿足多方面的性能要求。
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P89LPC932 采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu), 指令執(zhí)行時(shí)間只需2~4 個(gè)時(shí)鐘周期,6 倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51 器件。此外,P89LPC932 還集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能, 這樣可大大減少元件的數(shù)目、電路板面積以及系統(tǒng)的成本, 內(nèi)部有2個(gè)定時(shí)器, 可作為一個(gè)具有256 個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期的PWM 發(fā)生器使用。
LM3402 是一款由可控電流源衍生的降壓型穩(wěn)壓器, 可驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的大功率、高亮度發(fā)光二極管串, 可以接受范圍在6 V~42 V 的輸入電壓。當(dāng)使用引腳兼容的LM3402HV 時(shí), 輸入電壓的上限可達(dá)到75 V。根據(jù)手術(shù)對(duì)照度的需要, 對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié), 可以維持通過(guò)LED 陣列的恒定電流水平。圖2 為L(zhǎng)M3402 的典型應(yīng)用電路示意圖, 其中RSNS為電流設(shè)定電阻, 平均電流IF≈0.2/RSNS,RON取值與發(fā)光二極管串中的LED 數(shù)量有關(guān),8 個(gè)LED 時(shí)可取值300 kΩ。經(jīng)檢測(cè), 恒流標(biāo)稱值為250 mA 時(shí)(RSNS=0.8 Ω), 電流波動(dòng)在±20 mA 以內(nèi), 完全能夠滿足手術(shù)光感要求。
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圖2 LM3402 的典型應(yīng)用電路。
1.4 安全措施
考慮到醫(yī)用儀器安全要求的特殊性, 系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)該考慮采取相應(yīng)安全措施。首先, 手術(shù)室是一個(gè)具有強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境, 防止MCU 死機(jī)十分重要, 因此必須采取如下措施:(1) 必須認(rèn)真處理硬件復(fù)位電路設(shè)計(jì)和內(nèi)部復(fù)位程序;(2) 必須排除錯(cuò)誤干擾信號(hào), 所以整個(gè)系統(tǒng)采用了完全電氣隔離, 以阻止電路各部分的相互影響。此外還采用了Modbus 冗余校驗(yàn)法; (3) 高亮度白色LED 的價(jià)格較高, 為避免損壞, 必須排除電網(wǎng)和電源損壞對(duì)系統(tǒng)的影響, 故本文采用了過(guò)壓和過(guò)流自動(dòng)保護(hù)電路, 當(dāng)電壓或電流超過(guò)設(shè)定值的20%時(shí), 系統(tǒng)自動(dòng)切斷電源, 以保證系統(tǒng)電路和高亮度LED 的安全。
2 程序設(shè)計(jì)
2.1 程序結(jié)構(gòu)
程序主要包含面板控制器和驅(qū)動(dòng)板兩個(gè)獨(dú)立程序。
面板控制器程序根據(jù)4 個(gè)按鈕的輸入狀態(tài), 向驅(qū)動(dòng)板發(fā)送開(kāi)關(guān)或照度調(diào)節(jié)命令, 并將命令狀態(tài)在8 個(gè)LED 上顯示出來(lái)。驅(qū)動(dòng)板程序初始化以后, 主要通過(guò)串行口接收中斷接收操作信息, 進(jìn)行Modbus 數(shù)據(jù)冗余校驗(yàn)后, 根據(jù)命令指示, 發(fā)出不同的PWM 信號(hào)。驅(qū)動(dòng)板程序流程框圖如圖3 所示。
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圖3 驅(qū)動(dòng)板的程序結(jié)構(gòu)框圖。
2.2 PWM 發(fā)生
高亮度發(fā)光二極管串的電流主要通過(guò)對(duì)LM3402 的DIM 端口進(jìn)行PWM 調(diào)節(jié),實(shí)際電流占設(shè)定電流值的比例取決于PWM 的占空比(duty cycle)。P89LPC932 內(nèi)部定時(shí)器T0/T1 的PWM 輸出與計(jì)數(shù)輸入和定時(shí)器觸發(fā)輸出占用相同的管腳, 發(fā)生定時(shí)器溢出時(shí)自動(dòng)觸發(fā)端口輸出。
此功能通過(guò)AUXR1 寄存器中的控制位ENT0 和ENT1分別使能定時(shí)器0 和1。該模式打開(kāi)時(shí), 在首次定時(shí)器溢出前端口的輸出為邏輯1。為了使該模式生效, 必須清零C/T 位以選擇PCLK 作為定時(shí)器的時(shí)鐘源。定時(shí)器初始化設(shè)置參考程序如下:
void Timer1_init(void)
{
TMOD|=0x20 ; //定時(shí)器工作于方式6
*OD|=0x10 ;
TH1=256-n ; //n 為占空比
AUXR1|=0x20 ; // 定時(shí)器使能
TR1=1 ; // 啟動(dòng)定時(shí)器
}
其中占空比duty cycle=256-TH1, 定時(shí)器1 的溢出將使P1.2 或P0.7 端口發(fā)生翻轉(zhuǎn), 因此輸出頻率為定時(shí)器1溢出速率的1/2。
2.3 節(jié)能模式
能耗控制在整個(gè)無(wú)影燈控制系統(tǒng)中具有十分重要的意義。在多數(shù)時(shí)間,HBLEDs 處于熄滅狀態(tài), 控制系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài), 將功耗降低到最低。將電源控制寄存器PCONA 設(shè)置為0xFF 時(shí), 外部功能模塊掉電; 將電源控制寄存器PCON 設(shè)置為03H 時(shí), 可將MCU 處于完全掉電狀態(tài), 只有在中斷觸發(fā)的時(shí)候, 才能喚醒, 隨即給外部功能模塊上電,MCU 開(kāi)始工作。驅(qū)動(dòng)板上的MCU 由串行口接收中斷喚醒, 面板上的MCU 通過(guò)鍵盤(pán)中斷喚醒, 鍵盤(pán)中斷參考程序如下:
void KEY_ISR( ) interrupt 7
{
key_push=1 ; // 有鍵按下標(biāo)志
PCONA=0x00 ; //外部功能模塊上電
KBCON=0x00 ; //清除鍵盤(pán)中斷標(biāo)志
}
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評(píng)論
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