基于LM3402的新型LED無影燈控制系統(tǒng)

無影燈是用來照明外科手術(shù)部位不可缺少的重要設備， 要求能以最佳地觀察處于切口和體腔中不同深度、大小、對比度低的物體。因此， 除需要“ 無影” 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， 無影燈還須能長時間地持續(xù)工作， 而不散發(fā)出過量的熱， 因為過熱會使手術(shù)者不適， 也會使處在外科手術(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)能燈或鹵素燈， 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)能燈的升級換代產(chǎn)品。目前，LED無影燈的優(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 個月就需更換環(huán)形燈管的麻煩。

目前， 在技術(shù)上已成功解決了大功率LED 的封裝、恒流驅(qū)動、散熱以及照度控制等問題， 可實現(xiàn)無影燈照度的多級調(diào)控，調(diào)光靈活、方便。LED無影燈的優(yōu)點有：

(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)域幾乎無溫升。

(2) 光質(zhì)好： 白光LED 具有區(qū)別于普通手術(shù)用無影燈光源的色品特點， 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)生的視覺更加清晰， 在流淌、滲透的血液中人體的各個組織、臟器更容易被區(qū)分出來，這是普通手術(shù)用無影燈所不具備的。

(3) 亮度無級調(diào)節(jié)： 采用數(shù)字方式無級調(diào)控LED 的亮度， 操作者可根據(jù)自身對亮度的適應性隨意調(diào)節(jié)亮度， 使其達到最為理想的舒適度， 使長時間工作的眼睛不易產(chǎn)生疲勞感。

(4) 無頻閃： 因為LED 無影燈為純直流供電， 無頻閃， 不易使眼睛產(chǎn)生疲勞感， 亦不會對工作區(qū)域的其他設備產(chǎn)生諧波干擾。

(5) 光照度均勻： 采用特殊的光學系統(tǒng)，360°均勻照射在被觀察物體上， 無虛影產(chǎn)生， 清晰度高。

(6) 壽命長：LED 無影燈平均壽命長(35 000 h)， 遠大于環(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、無汞污染， 且其發(fā)出的光不含紅外和紫外成分的輻射污染。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

由于單個LED 的發(fā)光效率不能滿足手術(shù)無影燈的光照強度和均勻性的要求， 因此需要用多個LED 組成陣列， 并要求排列合理, 分布均勻， 使得每個目標平面的光照度符合要求， 以此來決定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 在一個密封的箱體內(nèi)， 還是會產(chǎn)生大量的熱量， 溫度甚至會高達60℃~80℃， 所以必須合理設計散熱器以及散熱通道， 以有效地降低系統(tǒng)熱阻。

LED 手術(shù)無影燈由多個燈頭組成， 成花瓣狀， 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，可滿足手術(shù)中不同高度和角度的需求。整個無影燈有144 個高亮度白色LED，8 個串聯(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。每組相互獨立， 若有一組損壞， 其他照樣能夠繼續(xù)工作， 所以對手術(shù)的影響較小。每組由一個LM3402 單獨進行恒流驅(qū)動， 并根據(jù)用戶需要，接受一個微處理器(CMU)P89LPC932 的PWM 脈寬調(diào)節(jié)控制， 可無級調(diào)節(jié)， 流過每個LED 的電流約為120 ~320 mA。LED 無影燈電氣原理圖如圖1 所示。

圖1 LED 無影燈電氣原理圖。

1.2 操作面板

操作面板上有4 個按鈕( 環(huán)境照明、關(guān)閉、調(diào)亮和調(diào)暗按鈕)和8 個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定照度狀態(tài)； 調(diào)亮和調(diào)暗按鈕用于改變無影燈的照度， 對應8 個指示燈， 指示8 擋亮度， 從左到右每增加一擋就增加一個指示LED 點亮， 無影燈處于關(guān)燈狀態(tài)時， 最右邊2 個指示LED 點亮。所有操作信息均是通過RS485 總線傳輸給驅(qū)動板MCU。

1.3 驅(qū)動板

驅(qū)動板是整個無影燈控制器的核心， 主要由一個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， 可低功耗運行， 適合于許多要求高集成度、低成本的場合， 可以滿足多方面的性能要求。

P89LPC932 采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)， 指令執(zhí)行時間只需2~4 個時鐘周期，6 倍于標準80C51 器件。此外，P89LPC932 還集成了許多系統(tǒng)級的功能， 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個定時器， 可作為一個具有256 個定時器時鐘周期的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。當使用引腳兼容的LM3402HV 時， 輸入電壓的上限可達到75 V。根據(jù)手術(shù)對照度的需要， 對轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進行調(diào)節(jié)， 可以維持通過LED 陣列的恒定電流水平。圖2 為LM3402 的典型應用電路示意圖， 其中RSNS為電流設定電阻， 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LED 時可取值300 kΩ。經(jīng)檢測， 恒流標稱值為250 mA 時(RSNS=0.8 Ω)， 電流波動在±20 mA 以內(nèi)， 完全能夠滿足手術(shù)光感要求。

圖2 LM3402 的典型應用電路。

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)的每一個環(huán)節(jié)都應該考慮采取相應安全措施。首先， 手術(shù)室是一個具有強電磁干擾的環(huán)境， 防止MCU 死機十分重要， 因此必須采取如下措施：(1) 必須認真處理硬件復位電路設計和內(nèi)部復位程序；(2) 必須排除錯誤干擾信號， 所以整個系統(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 冗余校驗法； (3) 高亮度白色LED 的價格較高， 為避免損壞， 必須排除電網(wǎng)和電源損壞對系統(tǒng)的影響， 故本文采用了過壓和過流自動保護電路， 當電壓或電流超過設定值的20%時， 系統(tǒng)自動切斷電源， 以保證系統(tǒng)電路和高亮度LED 的安全。

2 程序設計

2.1 程序結(jié)構(gòu)

程序主要包含面板控制器和驅(qū)動板兩個獨立程序。

面板控制器程序根據(jù)4 個按鈕的輸入狀態(tài)， 向驅(qū)動板發(fā)送開關(guān)或照度調(diào)節(jié)命令， 并將命令狀態(tài)在8 個LED 上顯示出來。驅(qū)動板程序初始化以后， 主要通過串行口接收中斷接收操作信息， 進行Modbus 數(shù)據(jù)冗余校驗后， 根據(jù)命令指示， 發(fā)出不同的PWM 信號。驅(qū)動板程序流程框圖如圖3 所示。

圖3 驅(qū)動板的程序結(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對LM3402 的DIM 端口進行PWM 調(diào)節(jié)，實際電流占設定電流值的比例取決于PWM 的占空比(duty cycle)。P89LPC932 內(nèi)部定時器T0/T1 的PWM 輸出與計數(shù)輸入和定時器觸發(fā)輸出占用相同的管腳， 發(fā)生定時器溢出時自動觸發(fā)端口輸出。

此功能通過AUXR1 寄存器中的控制位ENT0 和ENT1分別使能定時器0 和1。該模式打開時， 在首次定時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 作為定時器的時鐘源。定時器初始化設置參考程序如下：

void Timer1_init(void)

{

TMOD|=0x20 ； //定時器工作于方式6

*OD|=0x10 ；

TH1=256-n ； //n 為占空比

AUXR1|=0x20 ； // 定時器使能

TR1=1 ； // 啟動定時器

}

其中占空比duty cycle=256-TH1， 定時器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器1溢出速率的1/2。

2.3 節(jié)能模式

能耗控制在整個無影燈控制系統(tǒng)中具有十分重要的意義。在多數(shù)時間，HBLEDs 處于熄滅狀態(tài)， 控制系統(tǒng)處于待機狀態(tài)， 將功耗降低到最低。將電源控制寄存器PCONA 設置為0xFF 時， 外部功能模塊掉電； 將電源控制寄存器PCON 設置為03H 時， 可將MCU 處于完全掉電狀態(tài)， 只有在中斷觸發(fā)的時候， 才能喚醒， 隨即給外部功能模塊上電，MCU 開始工作。驅(qū)動板上的MCU 由串行口接收中斷喚醒， 面板上的MCU 通過鍵盤中斷喚醒， 鍵盤中斷參考程序如下：

void KEY_ISR( ) interrupt 7

{

key_push=1 ； // 有鍵按下標志

PCONA=0x00 ； //外部功能模塊上電

KBCON=0x00 ； //清除鍵盤中斷標志

}

中國每年無影燈的市場需求量在2 萬臺以上， 同時因低碳經(jīng)濟發(fā)展的需求， 需要進行節(jié)能改造， 所以LED無影燈的市場推廣前景十分廣闊。