基于MSP430單片機(jī)的光療儀設(shè)計(jì)

［陳彬林 鄭斌 羅楊 左晶 萬小勤］

基于MSP430單片機(jī)的光療儀設(shè)計(jì)

［陳彬林 鄭斌 羅楊 左晶 萬小勤］

光譜治療具有高效、安全、輻照強(qiáng)度可調(diào)等特性，提出一種基于發(fā)光二極管（LED）的便攜式多光譜理療裝置。裝置光源選用藍(lán)、紅、黃三種LED，采用柱狀類光棒模式排布，LED驅(qū)動(dòng)TSP61161選用恒流驅(qū)動(dòng)模塊，核心控制模塊MSP430RF5959對裝置進(jìn)行調(diào)控與參數(shù)檢測，通過脈寬調(diào)控（PWM）控制方式高效調(diào)節(jié)光照能量，并利用手機(jī)端APP通過CC2541對理療設(shè)備進(jìn)行控制。確保了理療儀的便攜式操作與系統(tǒng)的可靠性。

LED 恒流驅(qū)動(dòng) 脈寬調(diào)制 藍(lán)牙

陳彬林

碩士研究生、就讀于重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院。研究方向：人體局域網(wǎng)與智慧醫(yī)療系統(tǒng)。

1 引言

光療作為一種有效的治療手段，始于公元20世紀(jì)，太陽作為當(dāng)時(shí)的輻射源，但是因?yàn)槿展獾妮椛淠苁艿降乩?、季?jié)、時(shí)間等條件的限制，且日光特異性低、輻射能量小，很難滿足治療需求。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，人工光源也取得了巨大的進(jìn)步，紅外燈、紫外燈、濾光片等產(chǎn)品不斷被發(fā)明出來，光療技術(shù)也發(fā)生翻天覆地的變化，開始被應(yīng)用于各種疾病的治療中?？偟膩碚f不同波段的光的治療方法和治療設(shè)備是有所不同。例如可見光范圍中的藍(lán)光（450～435nm）光療的典型應(yīng)用在新生兒黃疸的治療。

近年來半導(dǎo)體技術(shù)的飛越發(fā)展，LED的發(fā)光效率、強(qiáng)度及使用壽命得到了較大的提高，采用LED作為光源的光療設(shè)備在臨床的應(yīng)用日益廣泛。大功率LED的出現(xiàn)增強(qiáng)了LED作為應(yīng)用光療的可行性［1］。在可見光范圍內(nèi)：（1）紅光［2］（622～760nm）的波長最長，對組織的穿透力最強(qiáng)，穿透深度較深。紅光能被皮膚及皮下組織吸收產(chǎn)生效應(yīng)，使深部組織血管擴(kuò)張，血液循環(huán)增強(qiáng)，改善組織營養(yǎng)，具有促進(jìn)炎癥吸收消散、鎮(zhèn)痛和促進(jìn)受傷組織愈合等作用。（2）藍(lán)光［3］（435～450nm）是一種溫和的刺激，具有鎮(zhèn)靜、殺菌、促進(jìn)維生素D合成、止痛消炎、脫敏等作用。（3）黃光［4］（577～597nm）在治療疾病的用途中不如上述兩種廣泛，黃光具有一定的活化細(xì)胞的作用，可促進(jìn)膠原蛋白的合成，增強(qiáng)皮膚的膠原纖維和彈性纖維，美白皮膚的功效。

本文意在設(shè)計(jì)一款智能化的光療儀，以MSP430FR5959單片機(jī)為控制模塊，以TI公司的Boost型升壓電源芯片TPS61161為LED燈組的驅(qū)動(dòng)電路。LED芯片則用日本Nichia Corporation（日亞化學(xué)）出品的紅光（NSPR336CS-E）、藍(lán)光（NSPB336CS-E）、黃光（NSPA310S-E）三色單色LED。以5個(gè)單色的LED為一組，組成LED的燈組。通信模塊選用TI公司出產(chǎn)的藍(lán)牙4.0BLE的CC2541模塊。這些模塊組合成的多光譜智能化理療儀。此外還需設(shè)計(jì)一款手機(jī)端控制的App。

2 硬件系統(tǒng)的構(gòu)架

整套多光譜理療儀包含光療部分與手機(jī)控制部分，其中光療部分主要包括3種LED燈組部分、LED驅(qū)動(dòng)電路、核心控制與通信協(xié)議部分，驅(qū)動(dòng)電源管理模塊部分以及散熱部分。手機(jī)端APP將通過藍(lán)牙對整個(gè)光療裝置進(jìn)行控制、其中核心模塊將會(huì)監(jiān)測記錄LED燈組工作時(shí)間，同時(shí)還會(huì)監(jiān)測記錄電源用量等等信息，反饋到手機(jī)端APP。APP的軟件部分主要是對系統(tǒng)的這些參數(shù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)并負(fù)反饋控制該臺光療儀。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

3 硬件實(shí)現(xiàn)

多光譜理療儀的硬件部分設(shè)計(jì)主要是有LED燈組、LED燈組驅(qū)動(dòng)電路、控制與數(shù)據(jù)采集電路、通信模塊藍(lán)牙與電源管理電路。合理的LED燈組布局對光源高效利用與光源的均勻性至關(guān)重要，同時(shí)藍(lán)牙模塊作為核心控制模塊與手機(jī)APP的通信控制的核心模塊，且藍(lán)牙連接的穩(wěn)定性、低功耗等等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 LED光源陣列模塊設(shè)計(jì)

LED是一種發(fā)光二極管，可以將電能轉(zhuǎn)會(huì)為光能，是一種新型綠色的照明光源。LED光源是冷光源，發(fā)熱少，安全性高，且在醫(yī)療方面已得到廣泛引用。LED是一種光譜狹窄的單色光源，其輻射光波長決定于LED芯片性質(zhì)。LED光源在光療設(shè)備設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮輻射通量、輻射強(qiáng)度、輻射照度等參數(shù)指標(biāo)。

光源陣列模塊選用亞日化學(xué)生產(chǎn)的LED，型號及部分參數(shù)分別為NSPR336CS-E（紅）、NSPB336CS-E（藍(lán)）、NSPA310S-E（黃）三種LED。該三種型號的LED的均是定工作電流20 mA。

根據(jù)光源的原理，單一波長的LED光源不符合要求，設(shè)計(jì)要有較大的發(fā)光面積。出于控制和驅(qū)動(dòng)方便的要求，采用單波長LED構(gòu)成單元陣列，再由多種波長的多個(gè)波長單元陣列組合成面光源。再用單元陣列組成6*5的大面積陣列、各單元陣列及它們組成的大面積陣列分別受相應(yīng)陣列驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)。單一陣列的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 LED驅(qū)動(dòng)電路

3.2 LED驅(qū)動(dòng)模塊

LED是一種電流控制器件，LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)際上是LED的驅(qū)動(dòng)電源，即將交流電轉(zhuǎn)換為恒流或者恒壓直流電的電路裝置。LED器件對 LED驅(qū)動(dòng)電源的轉(zhuǎn)換效率、有效功率、恒流精度、電源壽命、電磁兼容性的要求都非常的高，一款好的驅(qū)動(dòng)電源必須綜合考慮這些因素，

因?yàn)轵?qū)動(dòng)電源在整個(gè) LED燈具中的作用就像人的心臟一樣的重要LED驅(qū)動(dòng)器的主要任務(wù)是將交流電壓轉(zhuǎn)換為恒流的直流電源，并同時(shí)完成與 LED的電壓和電流的匹配。

驅(qū)動(dòng)電路采用德州儀器公司出品的DC/DC一款LED專用驅(qū)動(dòng)芯片TPS61161，芯片提供PWM調(diào)控端口、高精度、高效率、體積小等優(yōu)點(diǎn)。它是一款高頻低功耗升壓轉(zhuǎn)換器，專門用于LED照明。TPS61161采用的是WSON封裝、其6個(gè)引腳。

該芯片的Ctrl端為PWM輸入端。通過調(diào)節(jié)PWM占空比即可調(diào)節(jié)燈組的輸出功率。FB端為電流反饋段，F(xiàn)B端與地之間連接一個(gè)電流傳感電阻，由一個(gè)0.2V的參考電壓調(diào)節(jié)，燈組的恒流電流ID由FB端電壓精度與電流傳感電阻Rset精度共同決定。公式（1）可計(jì)算出恒流ID的值，當(dāng)Rset為10 Ω時(shí)，ID為20 mA。

3.3 控制與數(shù)據(jù)采集模塊

微控制單元（micro control unit，MUC）模塊選擇TI公司出品的MSP430FR5959單片機(jī)［5］，MSP430FR5959采用的是薄型小外形封裝（TSSOP），尺寸大小是12.50 mm*6.20 mm。一共有38個(gè)引腳。該單片機(jī)具有超低功耗運(yùn)行模式、同步串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）、1.8～3.6 V的低電源電壓范圍、以及帶內(nèi)部基準(zhǔn)、采樣以及自動(dòng)掃描功能的10數(shù)模轉(zhuǎn)換（analogue-to-digital conversion，ADC）。

此款MSP430［5］的系統(tǒng)構(gòu)架，結(jié)合了7種低功耗模式優(yōu)化，達(dá)到延長的電池壽命，例如在便攜式LED控制程序。該設(shè)備具有強(qiáng)大的16位的RISC-cpu、16位寄存器和常用發(fā)生器實(shí)現(xiàn)最高的代碼效率。MSP430FR5959的cup的16位RISC構(gòu)架是高度透明的應(yīng)用程序，除了程序流指令，所有的操作都是作為寄存器操作，結(jié)合7個(gè)尋址模式的源操作和4個(gè)尋址模式的目的地操作。

此系列的MSP430FR5959單片機(jī)繼承了最豐富的片上外圍模塊，各個(gè)模塊運(yùn)行是完全獨(dú)立的，定時(shí)器、輸入輸出借口、A/D轉(zhuǎn)換、看門狗、液晶顯示器等都可以在住CPU休眠的狀態(tài)下獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)需要CPU工作室，任何一個(gè)模塊都可以通過終端喚醒CPU，而從事系統(tǒng)以最低功耗運(yùn)行。

3.4 無線通信模塊（CC2541）

通信模塊控制則利用藍(lán)牙，藍(lán)牙［6］（Bluetooth）是一種短距離無線通信的無線電技術(shù)，在我們?nèi)粘Ｉ钪械氖謾C(jī)及其他設(shè)備終端里面處處可見，其工作的頻段為2.4GHz。在2010年7月藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）發(fā)布了藍(lán)牙4.0核心版，藍(lán)牙4.0有以下優(yōu)點(diǎn)（1）高可靠性，（2）低成本、低功耗，（3）快速啟動(dòng)、瞬間連接，（4）傳輸距離極大提高，（5）高安全性。

在這無線通信模塊采用TI公司出品的CC2541［7］，CC2541是完全兼容藍(lán)牙4.0的BLE協(xié)議的SoC解決方案，同時(shí)CC2541是開發(fā)出了相應(yīng)的軟件協(xié)議棧，開發(fā)者可以搭建自己的應(yīng)用發(fā)開平臺。CC2541內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型兼低功耗的8051微控制內(nèi)核，系統(tǒng)內(nèi)含有可編程閃存存儲器，8KB RAM和很多其它功能強(qiáng)大的特性和外設(shè)組合在一起。CC2541非常適合應(yīng)用于需要超低功耗的系統(tǒng)。

CC2541是6 mm*6 mm方形扁平無引腳（QFN-40）封裝。其工作電壓范圍2～3.6V，系統(tǒng)用藍(lán)牙模塊與MSP430單片機(jī)的串口TR、RX端連接，通過相關(guān)指令來控制相應(yīng)設(shè)備動(dòng)作。如藍(lán)牙通信控制電路如圖3所示。

圖3

4 總結(jié)

當(dāng)前科技日益發(fā)展，傳統(tǒng)藥物理療、單一光療等不在適用于理療，本文設(shè)計(jì)了一種基于LED的便攜式多光譜理療裝置，并詳細(xì)地介紹了裝置多光源陣列模塊、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、MCU控制單元設(shè)計(jì)以及基于CC2541的無線通信模塊等。該裝置由手機(jī)通過合理的程序，經(jīng)過藍(lán)牙對不同LED燈的光照頻率、強(qiáng)度、時(shí)間等參數(shù)的精確控制，利用LED光源高效、安全理療。經(jīng)理論分析得出：該裝置方案是合理、可行的，并通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證該基于LED多光譜理療裝置能基本實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能，達(dá)到較好的治療效果。由于光療儀器局限于單一的普通的治療，并沒有在智能化、可控化、通信化上發(fā)展，所以在設(shè)計(jì)新型智能化有效光療設(shè)備，將有利于推廣光療裝置在日常生活中的使用。

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10.3969/j.issn.1006-6403.2016.10.016

（2016-09-12）