多功能光源調(diào)制驅(qū)動系統(tǒng)

覃 莉，曹匯敏，許 曼，凌鴻順，岳之恒，傅 歆

（中南民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

發(fā)光二極管（LED）以其使用效率高、使用壽命長和低功耗的特點廣范應(yīng)用于各種場合[1]，尤其近幾年，隨著光學(xué)療法在臨床治療上的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展[1-2]，通用的光源調(diào)制驅(qū)動系統(tǒng)的研制也就成了當(dāng)務(wù)之急。目前國內(nèi)所使用的光源驅(qū)動器尚未實現(xiàn)多種模式的功能。本文介紹一種以ARM stm32和FPGA作為控制器，控制恒流源提供恒流信號的方法，實現(xiàn)多功能光源驅(qū)動器的功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由基于ARM的主控部分、基于ARM觸摸屏的人機(jī)交互模塊、基于FPGA的信號源、恒流源驅(qū)動電路等4大部分組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

主要設(shè)計思路為：人機(jī)交互模塊通過ARM觸摸屏接收對驅(qū)動模式的選擇、驅(qū)動信號參數(shù)的設(shè)置，由ARM主控制器發(fā)送波形種類，幅度，頻率的控制信息給FPGA，F(xiàn)PGA接收信號并做出響應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)信號，產(chǎn)生的信號通過D/A轉(zhuǎn)化及濾波后送給程控恒流源再驅(qū)動LED發(fā)光，產(chǎn)生的驅(qū)動信號還通過A/D采樣反饋給ARM主控，并在ARM觸摸屏上顯示波形。

2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計

2.1 基于ARM觸摸屏的人機(jī)交互模塊

為實現(xiàn)人性化人機(jī)交互，采用觸摸顯示屏接受設(shè)置參數(shù)。用戶通過ARM觸摸屏選擇驅(qū)動模式、設(shè)置驅(qū)動信號參數(shù)及驅(qū)動信號波形顯示。基于ARM觸摸屏的人機(jī)交互界面顯示利用結(jié)構(gòu)體實現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)體里存儲界面的圖形信息和坐標(biāo)信息，多界面的實現(xiàn)則相當(dāng)于一個菜單鏈表，多界面切換就是利用鏈表來尋找相應(yīng)菜單[3]。

觸摸屏上，一部分區(qū)域用于顯示波形，一部分區(qū)域用于用戶操作。通過一定的采樣頻率，將送到LED的驅(qū)動信號在觸摸屏波形顯示區(qū)域中顯示，能直觀了解到輸出波形的情況。在觸摸屏操作區(qū)域可以實現(xiàn)對驅(qū)動信號的波形、幅值和頻率的調(diào)節(jié)，在直流驅(qū)動模式下，可實現(xiàn)幅度的調(diào)節(jié)；在脈沖驅(qū)動模式下，可實現(xiàn)頻率、占空比、幅度的調(diào)節(jié)；在正弦驅(qū)動模式下，系統(tǒng)可產(chǎn)生兩種頻率分時切換的正弦驅(qū)動信號，能實現(xiàn)頻率、幅度和分時切換時間的調(diào)節(jié)，整體操作界面人性化。

2.2 基于ARM的主控部分

ARM主要完成與觸摸屏的通信、與FPGA的通信以及在恒流源部分的穩(wěn)流功能。

FPGA與ARM控制板的通信采用并行接口，一次傳輸17位，從第16位到第1位為數(shù)據(jù)，第0位作為控制；ARM向FPGA寫操作時，第0位控制命令為高電平，先寫入16位數(shù)據(jù)；ARM向FPGA讀數(shù)據(jù)時，第0位控制命令為低電平，并先寫入16位數(shù)據(jù)。這樣就實現(xiàn)了FPGA與ARM之間的通信[3]。

在恒流源中通過對采集到的數(shù)據(jù)分析，利用ARM送出數(shù)字量給FPGA，然后由FPGA控制D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成模擬信號，再送到大功率三極管進(jìn)行放大。ARM通過ADC實時對輸出電壓（即電流，電流轉(zhuǎn)化為電壓）進(jìn)行監(jiān)控，采用數(shù)字方式作為閉環(huán)反饋調(diào)整環(huán)節(jié)，由程序控制功率管的輸出電流恒定。當(dāng)改變負(fù)載大小時，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個閉路環(huán)節(jié)使得系統(tǒng)一直在設(shè)定值而維持電流恒定。同時，通過ADC可以采到連續(xù)的電壓值，反饋給ARM后在觸摸屏界面上顯示出相應(yīng)的波形。

2.3 基于FPGA的信號源

此模塊的核心在于FPGA的設(shè)計實現(xiàn)DDS的邏輯功能，通過對存儲器查表后輸出信號，由相連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為要求的波形。

DDS技術(shù)是從相位的概念進(jìn)行頻率合成。它按一定的相位間隔，將待產(chǎn)生的波形幅度的二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲于高速存儲器作為查找表，用參考頻率源 (一般為晶體振蕩器)作為時鐘，用頻率控制字決定每次從查找表中取出波形數(shù)據(jù)的相位間隔，以產(chǎn)生不同的輸出頻率，對取出的波形數(shù)據(jù)通過高速D/A轉(zhuǎn)換器來合成出存儲在存儲器內(nèi)的波形。通過修改存儲在ROM里的數(shù)據(jù)就可以產(chǎn)生相應(yīng)驅(qū)動模式下的驅(qū)動信號[3-5]。DDS原理圖如圖2所示。

圖2 DDS原理圖Fig.2 DDS diagram

具體實現(xiàn)過程中，我們建立一個模塊實現(xiàn)從ARM接收來的頻率控制字的寄存功能，作為寄存器。全加器實現(xiàn)10位的相位累加，通過頻率控制字作為步長進(jìn)行控制，然后再通過波形ROM完成波形的查找與輸出。通過改變相位累加器的相位增量X，即地址間隔的改變，控制讀出波形存儲器一個周期正弦波幅值的數(shù)目，達(dá)到輸出頻率的控制。其輸出的頻率為，其中fclk為系統(tǒng)時鐘頻率，M為相位累加器的位數(shù)，X為相位增量一頻率控制字，由公式可知f0與X成正比，控制X就可以控制輸出的頻率[3]。據(jù)此則可根據(jù)ARM傳送的控制指令修改ROM的值以產(chǎn)生常規(guī)的正弦、脈沖、直流驅(qū)動信號。在產(chǎn)生雙頻輪流的正弦驅(qū)動信號時，通過分時輪轉(zhuǎn)控制頻率的算法，即ARM傳送用戶輸入的頻率控制字給FPGA，然后相位累加器根據(jù)這個值進(jìn)行相位累加，在累加值達(dá)到頻率轉(zhuǎn)換值之后，相位累加器清零并保留上一個電壓值，作為下一個頻率轉(zhuǎn)換點的初始值，通過這種算法即可實現(xiàn)分時切換頻率且相位連續(xù)的功能。

另外，在此模塊中還有外圍電路，主要完成D/A轉(zhuǎn)換與濾波功能。D/A轉(zhuǎn)換主要采用DAC900芯片實現(xiàn)。電路圖如圖3所示。

圖3 D/A電路圖Fig.3 D/A circuit diagram

2.4 恒流源驅(qū)動電路

LED驅(qū)動源是恒定電流工作方式，根據(jù)本項目高精度高穩(wěn)定度要求，我們采用程控LED驅(qū)動源，保證檢測參數(shù)的穩(wěn)定。通過硬件電路與軟件控制的結(jié)合，提高驅(qū)動源的性能，提高控制的精度、穩(wěn)定度。

2.4.1 恒流源驅(qū)動電路的程控部分

程控恒流源的穩(wěn)流電路主要采用負(fù)反饋方式，常用內(nèi)環(huán)反饋，即在穩(wěn)流部分加入一個負(fù)反饋，在D/A輸出電壓值之后與基輸出電壓相比較，根據(jù)誤差信號，運用電路負(fù)反饋原理降低誤差，使輸出性能較理想[6]。也有用雙閉環(huán)控制。即在內(nèi)環(huán)反饋基礎(chǔ)上再加上一個外部的負(fù)反饋。把輸出后電壓值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后，再與設(shè)置電壓值相比較，通過程序調(diào)節(jié)D/A控制電壓穩(wěn)定輸出電流，然后經(jīng)過內(nèi)環(huán)反饋，進(jìn)一步控制電壓穩(wěn)定輸出電流，即經(jīng)過了兩次負(fù)反饋過程。理論上講這種方案比單獨內(nèi)環(huán)反饋要更精確。故實際應(yīng)用中，采用了雙閉環(huán)控制電路。雙閉環(huán)控制電路的原理框圖如圖4所示[6]。

圖4 程控恒流源原理框圖Fig.4 Programmable constant current source block diagram

2.4.2 恒流源驅(qū)動電路硬件部分

恒流源電路原理圖如圖5所示,在此電路中采用一個可以軌對軌的運放芯片OPA561作為電壓的前級的放大，且其關(guān)斷功能可以有效的保護(hù)電路。兩個三極管串聯(lián)，前一個S8050作為前級的預(yù)放大，后面一個BD135音頻三極管用來擴(kuò)流。在BD135的射極，串聯(lián)一個大功率的電阻，給集電極提供一個電流回路。Ie與Ic近似相等，可以通過一個光電接收管接收LED的光來推算出三極管和通過LED的電流信號。擴(kuò)流三極管上加上散熱片，有效為電路散熱，避免溫度過高而產(chǎn)生的不穩(wěn)定。

圖5 恒流源電路圖Fig.5 Constant current source circuit diagram

3 實驗結(jié)果

在觸摸顯示屏上選擇驅(qū)動模式、信號頻率及幅度，可看到LED以所選模式發(fā)光，并可在顯示屏上看到相應(yīng)信號波形。該光源驅(qū)動裝置具有直流驅(qū)動、脈沖驅(qū)動、正弦驅(qū)動、雙頻正弦輪流驅(qū)動四種驅(qū)動模式，脈沖驅(qū)動、正弦驅(qū)動、雙頻正弦輪流驅(qū)動模式下，均可產(chǎn)生10 Hz～500 KHz,0.2mA～1 A的恒流驅(qū)動信號。圖6～圖9所示為4種模式下的驅(qū)動信號。

圖6 直流驅(qū)動信號Fig.6 DC-Driving signal

4 結(jié)束語

圖7 脈沖驅(qū)動信號Fig.7 Pulse-Driving signal

圖8 正弦驅(qū)動信號Fig.8 Sine-Driving signal

圖9 雙頻正弦驅(qū)動信號Fig.9 Dual-frequency sine-Driving signal

系統(tǒng)采用ARM和FPGA結(jié)合，控制恒流源的方法，研制了一種可實現(xiàn)產(chǎn)生多種驅(qū)動信號功能的光源驅(qū)動裝置。實驗證明：該設(shè)計電路正確可行，不同功率的LED均能在各種驅(qū)動模式下正常發(fā)光，滿足了多功能光源驅(qū)動裝置的要求。能為一些便攜式醫(yī)療設(shè)備所使用，還可作為其他類電子系統(tǒng)的驅(qū)動裝置。在不久的將來，隨著醫(yī)用傳感器及其他類電子系統(tǒng)的普及，這種光源調(diào)制驅(qū)動系統(tǒng)也必將得到空前發(fā)展。

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