基于Cortex-M4醫(yī)用高頻高壓發(fā)生器的研究

郝利國，李靖宇，劉雅楠，薛儉雷，張淑麗

（齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161000）

基于Cortex-M4醫(yī)用高頻高壓發(fā)生器的研究

郝利國，李靖宇，劉雅楠，薛儉雷，張淑麗

（齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾161000）

針對醫(yī)用X射線機(jī)在工頻供電條件下存在有用射線輸出率低、X射線管輸出電壓紋波系數(shù)普遍偏大的現(xiàn)象，為保證X射線機(jī)工作的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，該文提出一種基于Cortex-M4內(nèi)核的醫(yī)用高頻高壓發(fā)生器設(shè)計(jì)方案。分析高頻高壓發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及其工作原理，運(yùn)用全橋串并聯(lián)諧振逆變電路實(shí)現(xiàn)對高頻電壓的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)采用雙閉環(huán)控制，通過對采樣電壓及電流的采集計(jì)算和誤差分析，進(jìn)而調(diào)節(jié)脈沖頻率控制電路和脈沖寬度控制電路，確保輸出管電壓、管電流的精確、穩(wěn)定。運(yùn)行結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)的高頻高壓發(fā)生器相對誤差小，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性能好，輸出電壓精度和電流精度高，可以很好地滿足醫(yī)用X射線機(jī)工作需求，具有較好的應(yīng)用價值。

高壓發(fā)生器；Cortex-M4；雙閉環(huán)控制；X射線；全橋逆變

0 引言

隨著無線傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域也取得了日新月異的發(fā)展，臨床檢查對醫(yī)療輔助設(shè)備的的依賴性也不斷增加。在醫(yī)療疾病檢查以及體檢中心，醫(yī)用X射線機(jī)已經(jīng)普遍應(yīng)用[1]。因此，X射線機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，對疾病的檢查具有重要的意義。高頻高壓發(fā)生器是醫(yī)療X射線機(jī)的核心組成部分，主要為X射線設(shè)備提供高壓球管運(yùn)行時的高壓和燈絲所需電流。在我國各大醫(yī)院及體檢中心，工頻X射線機(jī)因?yàn)閮r格相對較低，使用得最為普遍，但工頻X射線機(jī)具有輸出有用射線率低、射線管電壓紋波大、高壓變壓器體積大、質(zhì)量重等缺點(diǎn)。國外發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成功研發(fā)出高頻高壓發(fā)生器，并在實(shí)際設(shè)備中投入使用。我國射線設(shè)備使用的高頻高壓發(fā)生器都是采購國外設(shè)備，價格昂貴,缺少自主研發(fā)的產(chǎn)品。因此對高頻高壓發(fā)生器的研究具有重要的意義[2]。本設(shè)計(jì)采用Cortex-M4內(nèi)核，通過逆變技術(shù)及閉環(huán)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)X射線機(jī)所需要的穩(wěn)定電壓及電流。

1 醫(yī)用高頻高壓發(fā)生器的原理與設(shè)計(jì)方案

1.1 高頻高壓發(fā)生器的原理

在醫(yī)用X射線機(jī)系統(tǒng)中，高壓發(fā)生器的作用是向X線球管的燈絲提供電流，同時對其陽極和陰極施加穩(wěn)定的高壓,使之產(chǎn)生X射線。因此，提供穩(wěn)定的高壓和電流是高頻高壓發(fā)生器的宗旨[3]。圖1為高頻高壓發(fā)生器的原理圖。

圖1 高頻高壓發(fā)生器原理圖

如圖所示，高頻高壓發(fā)生器包括整流、濾波、逆變、高壓變壓器、高壓整流，高壓濾波等單元。主要作用是將380V，50Hz三相交流電通過整流、濾波、逆變、升壓、高壓整流、高壓濾波等環(huán)節(jié)處理后，輸出高頻高壓電源，以提供X射線機(jī)正常工作時的高壓電源。

1.2 設(shè)計(jì)方案

基于Cortex-M4內(nèi)核的醫(yī)用高頻高壓發(fā)生器系統(tǒng)可分為電壓整流濾波單元、逆變轉(zhuǎn)換單元、升壓倍壓及濾波單元、控制單元；整流、濾波、逆變、升壓、倍壓濾波主要將工頻交流380V動力電轉(zhuǎn)換成為供X射線機(jī)球管工作的高頻高壓電源；控制單元主要是對產(chǎn)生的高頻高壓電源進(jìn)行取樣監(jiān)測，包括CPU外圍電路及反饋電壓閉環(huán)控制電路，通過對逆變電壓的修正，保證球管電壓的穩(wěn)定[4]。設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，380V，50Hz交流動力電經(jīng)過整流、逆變后，形成直流高頻方波，高頻方波經(jīng)過高壓升壓、倍壓整流濾波電路，最終獲得供X射線機(jī)球管工作的40～230kV的高頻高壓電源?？刂茊卧ㄟ^飛思卡爾K22核心CPU處理器，將反饋電壓信號、電流信號進(jìn)行采集處理，通過誤差分析計(jì)算，控制逆變?nèi)珮蝌?qū)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對逆變電路參數(shù)的閉環(huán)控制。與此同時，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互電路，可以通過觸摸屏讀取設(shè)備狀態(tài)信息以及參數(shù)設(shè)置，通過USB對設(shè)備采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，用戶同時可通過串口通信電路對設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行批量設(shè)置。

2 高頻高壓發(fā)生器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 整流濾波電路

整流電路主要是將工頻三相交流380V電壓通過整流橋轉(zhuǎn)換成為直流560 V電壓，但轉(zhuǎn)化后的電壓中仍然存在交流電壓分量，因此要對轉(zhuǎn)化后的電壓進(jìn)行濾波處理，過濾掉交流部分電壓，使輸出電壓平穩(wěn)[5]。濾波電路如圖3所示。

圖3 濾波電路

如圖所示，濾波電路由L、C組成，根據(jù)電感特性，流過電感電流發(fā)生變化時，自感電動勢會阻礙電流變化趨勢。頻率越高，阻礙變化的自感電動勢就越大。對于直流部分，電感相當(dāng)于短路，電壓都加載負(fù)載RL兩端。因此，經(jīng)過濾波后的直流電源比較平滑。LC濾波電路對于要求大電流，輸出電壓脈動小的高頻電路，具有明顯的濾波效果。

2.2 全橋串并聯(lián)諧振逆變電路

逆變電路分為很多種，串聯(lián)諧振在直流環(huán)節(jié)存在逆變器的諧振峰值電壓過高現(xiàn)象，并聯(lián)諧振在直流關(guān)節(jié)則存在逆變器諧振峰值電流過大現(xiàn)象[6]。本設(shè)計(jì)針對高頻高壓產(chǎn)生特點(diǎn)，將二者結(jié)合在一起構(gòu)成串并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)，可以集二者優(yōu)點(diǎn)以提高整體性能。設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 全橋諧振逆變電路

設(shè)計(jì)采用全橋LCC串并聯(lián)逆變電路，其中VT1、VT2、VT3、VT4是4組場效應(yīng)開關(guān)管，Lf是諧振電感，RL為負(fù)載，功率的輸出采用調(diào)頻的方式控制。逆變器最終將直流電壓電源逆變成高頻方波電壓，然后輸出給串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的作用是改變方波電壓的頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對輸出功率的控制與調(diào)節(jié)[7]。

2.3 高壓變壓器

經(jīng)過全橋LCC逆變器輸出的電壓還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠X射線機(jī)球管所需電壓，因此需要經(jīng)過高壓變壓器進(jìn)行再次升壓?？紤]到高頻高壓變壓器漏感和匝間分布電容，高壓變壓器設(shè)計(jì)包括3個次級繞組，對地電壓分別是+kV和-kV直流，在系統(tǒng)疊加后產(chǎn)生直流高壓。根據(jù)球管高壓范圍，本設(shè)計(jì)高頻變壓器的變比選?。?23:355:355:355，磁芯采用鐵氧化體材料，初級線圈和次級線圈采用疊式結(jié)構(gòu)，同時采用電纜紙和聚酰亞胺等來增加絕緣強(qiáng)度。

2.4 倍壓整流電路

X射線球管正常工作在直流電壓，因此，需要對高壓變壓器輸出電壓進(jìn)行整流和濾波。為了保證X射線管提供足夠的高壓，本設(shè)計(jì)采用多倍壓整流濾波的方法。設(shè)計(jì)充分利用電容具有存儲電荷的特點(diǎn),通過多個整流二極管和濾波電容達(dá)到倍壓目的[8]。此設(shè)計(jì)還可以降低變壓器次級線圈的耐壓指標(biāo)，將其中的部分耐壓值通過電路轉(zhuǎn)移到整流二極管和濾波電容上面。由此同時，采用倍壓電路替代單一的二極管整流電路，也可以很大程度上減少高頻變壓器的變比和寄生電容。具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 倍壓電路

圖5是分別對高壓變壓器次級輸出的陽極電壓和陰極電壓進(jìn)行二倍壓整流濾波。其中P1、P3接到變壓器的一個次級繞組,P2、P4接另一個次級繞組,P1、P2為同名端,在高壓變壓器輸出正半周期,倍壓電路通過D2、D4對電容C2、C4進(jìn)行充電,在負(fù)半周期時，電路通過D1、D3對電容C1、C3進(jìn)行充電,完成交流到直流轉(zhuǎn)換[9]。因?yàn)殡娙軨1、C2、C3、C4串聯(lián)輸出,因此輸出電壓是原來的4倍。電路中的電阻R1、R2是X射線管電流采樣電阻。設(shè)計(jì)中將中心點(diǎn)接地，設(shè)計(jì)成對稱電路，這樣便將整流二極管和濾波電容的耐壓值降低原來的一半，電路工作更安全[10]。

圖6 逆變器閉環(huán)控制圖

圖7 USB拷貝電路

2.5 雙閉環(huán)反饋控制電路

X射線機(jī)球管工作需要穩(wěn)定的、精確的燈管電壓和管電流。本設(shè)計(jì)采用雙閉環(huán)控制，通過對采樣電壓及電流電路的計(jì)算和誤差分析，設(shè)計(jì)調(diào)頻方式控制球管電壓，調(diào)寬方式控制燈絲電流，使輸出管電壓、管電流精確、穩(wěn)定；控制邏輯如圖6所示。

通過對采樣電壓信號和采樣電流信號進(jìn)行運(yùn)算處理，最后將運(yùn)算結(jié)果反饋給控制電路。控制電路分別釆用脈沖頻率調(diào)制控制的方法和脈沖寬度控制方法，對反饋回來的管電壓信號、電流信號分別與系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行誤差運(yùn)算，然后根據(jù)誤差結(jié)果調(diào)整驅(qū)動信號的頻率和脈寬調(diào)制寬度，進(jìn)而保證輸出電壓的穩(wěn)定和電流的穩(wěn)定[11]。電壓控制電路采用脈沖頻率調(diào)制芯片MC33067，電流控制電路采用脈沖寬度調(diào)制芯片SG3525。

2.6 其他電路

本設(shè)計(jì)采用Cortex-M4內(nèi)核處理器，采用飛思卡爾K系列核心處理器，工作頻率可達(dá)120M，是一款高性能、低功耗芯片。外圍電路還包括觸摸屏電路、USB拷貝電路，串口通信電路等。觸摸屏可以對設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時查看，操作人員可根據(jù)需求對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。USB拷貝電路可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的拷貝，操作者也可以根據(jù)實(shí)際需求，不同環(huán)境下對設(shè)備進(jìn)行啟動。串口通信支持上位機(jī)操作功能，可以通過上位機(jī)軟件對裝置運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時設(shè)置，也可以實(shí)時讀取設(shè)備運(yùn)行信息。USB電路如圖7所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用FreeRTOS嵌入式實(shí)時系統(tǒng)，keil開發(fā)編譯環(huán)境，通過多級任務(wù)管理對系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主流程如圖8所示。

圖8 主流程

程序設(shè)置好X射線管需要的電壓及需要控制的電流范圍，通過讀取串口和觸摸屏配置參數(shù)，然后控制DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出電壓，在判斷控制位有效時，與反饋參數(shù)進(jìn)行比較運(yùn)算，進(jìn)行誤差分析，然后輸出給電壓控制器及電流控制器，進(jìn)而完成電壓和電流的調(diào)節(jié)。與此同時，也可以通過串口和觸摸屏對設(shè)備進(jìn)行指令操作以及USB拷貝等操作。

4 系統(tǒng)測試分析

圖9 控制電路精度測試

圖10 逆變器輸出仿真波形

該產(chǎn)品樣機(jī)已成功通過許昌開普電器檢測研究院的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)、靜電放電抗擾度試驗(yàn)、浪涌（沖擊）抗擾度等試驗(yàn)，符合電磁兼容的國標(biāo)四級設(shè)計(jì)要求。圖9為實(shí)驗(yàn)室控制電路精度測試實(shí)驗(yàn)，其中逆變器輸出波形如圖10所示。

如圖所示，逆變器輸出波形中，通道1方波為實(shí)際功率管MOSFET輸出控制電壓方波，通道2，3，4正弦波信號為諧振電流波形，對比圖中波形可知，雙閉環(huán)控制下，逆變器實(shí)現(xiàn)了零電壓開通的軟關(guān)斷的設(shè)計(jì)要求。

通過實(shí)際測試分析，該系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定，雙閉環(huán)控制精度高，通過數(shù)據(jù)對比分析，設(shè)計(jì)完全符合精度及穩(wěn)定性需求，能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)X射線機(jī)正常工作所需電壓。符合高壓設(shè)備高速采集、快速處理、通信穩(wěn)定的智能化要求。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基Cortex-M4內(nèi)核的醫(yī)用高頻高壓發(fā)生器系統(tǒng)，采用飛思卡爾高性能核心處理器，處理速度快，設(shè)計(jì)中采用雙閉環(huán)控制原理，解決單閉環(huán)控制中存在的不足。外圍電路還包括觸摸屏電路，串口通信電路及USB拷貝電路，可根據(jù)用戶實(shí)際需要對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及運(yùn)行狀態(tài)讀取。通過對采樣電壓及電流電路的計(jì)算和誤差分析，利用調(diào)頻控制方式控制球管電壓,調(diào)寬方式控制燈絲電流，使X射線機(jī)輸出管電壓、管電流精確、穩(wěn)定。運(yùn)行結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)可以精確輸出醫(yī)用X射線工作時的機(jī)球管工作的高壓和燈絲電流，為醫(yī)用X射線機(jī)的高精度監(jiān)測及運(yùn)行提供了可靠的保證。

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（編輯：劉楊）

Research on medical high frequency and high voltage generator based on Cortex-M4

HAO Liguo，LI Jingyu，LIU Ya'nan，XUE Jianlei，ZHANG Shuli
（School of Medicine and Technology，Qiqihar Medical University，Qiqihar 161000，China）

Under the condition of the power frequency supply，the useful output rate of the medical X-ray machine is low and the X-ray tube output voltage ripple coefficient is generally larger.In order to ensure the stability and accuracy of the operation of the X-ray machine，a design of the medical high frequency and high voltage generator based on the Cortex-M4 kernel is proposed in this paper.The structure and working principle of the high frequency and high voltage generator are thoroughly analyzed，and the conversion of high frequency voltage is realized with the full bridge series parallel resonant inverter circuit.The double closed loop is adopted to control the whole design.Through the calculation and error analysis of the sampling voltage and current acquisition，the pulse frequency control circuit and the pulse width control circuit are adjusted to ensure the accuracy and stability of the output voltage and the tube current.The running results show that the design have small relative error，high precision and stable performance with both accuracy and adjustable voltage output，not only meet the needs of medical X-ray machine，but also show a good application value.

high voltage generator；Cortex-M4；double closed-loop control；X-ray；full bridge inverter

A

1674-5124（2017）08-0086-05

2017-02-18；

2017-03-25

郝利國（1980-），男，黑龍江齊齊哈爾市人，講師，碩士，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)成像理論及功能影像學(xué)成像。

張淑麗（1963-），女，黑龍江齊齊哈爾市人，教授，碩士，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)影像圖像后處理技術(shù)。

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.018