植入式醫(yī)療設(shè)備無線電能傳輸電路的設(shè)計

呂德深

（南寧學(xué)院機電與質(zhì)量技術(shù)工程學(xué)院，廣西南寧，530200）

0 引言

最近幾年，科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，植入式醫(yī)療設(shè)備受到了越來越多的研究者的關(guān)注。有線供電和無線供電通常是植入人體的醫(yī)療設(shè)備的兩種主要供電方式[1]。有線供電對于患者攜帶極為不方便，而無線供電則優(yōu)勢明顯。無線供電優(yōu)勢不需要直接接觸電線、攜帶方便。因此，無線電能傳輸在植入式醫(yī)療設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。

如今各種植入醫(yī)療設(shè)備在快速發(fā)展，無線電能傳輸技術(shù)成為研究的熱點對象，應(yīng)用于各種各樣的設(shè)備，如心臟搏起器、人工心臟、人工耳蝸等[4]。無線電能傳輸設(shè)備不需要增加連接電線，使用起來非常方便。

常見的無線電能傳輸?shù)姆绞接校焊袘?yīng)式電能傳輸和磁耦合諧振式電能傳輸。磁耦合諧振式無線電能輸與感應(yīng)式電能傳輸相比有較大的優(yōu)勢，有傳輸距離較遠、傳輸效率較高、可以穿過沒有磁導(dǎo)性障礙物傳輸電能更強等優(yōu)點。因此，本文設(shè)計了一磁耦合諧振式無線電能傳輸電路，可供植入式醫(yī)療設(shè)備提供參考與借鑒。

1 總體方案設(shè)計

感應(yīng)式無線電能傳輸電路的設(shè)計簡單，不需要非常高的匹配參數(shù)就能實現(xiàn)電能感應(yīng)傳輸，但傳輸距離較近、效率不高，不適合植入式醫(yī)療設(shè)備中[5]。磁耦合諧振式無線電能傳輸電路的設(shè)計需要精確計算發(fā)射電路和接收電路的諧振參數(shù)，才能使得電能傳輸更遠、效率更高。

為了實現(xiàn)磁耦合諧振式無線電能傳輸，系統(tǒng)主要包括發(fā)射部分和接收部分[6-7]。發(fā)射部分包括電源轉(zhuǎn)換單元、控制器單元、按鍵單元、液晶顯示單元、信號發(fā)生單元、線圈驅(qū)動單元、發(fā)射線圈等；接收部分包括接收線圈、整流濾波單元、負(fù)載等。系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。電源轉(zhuǎn)換單元是系統(tǒng)的輸入部分，一方面為發(fā)射部分的控制器單元、按鍵單元、液晶顯示單元、信號發(fā)生單元等提供電源，另一方面為電能發(fā)送提供必要的條件?？刂破鲉卧窍到y(tǒng)的核心部件，主要用于實現(xiàn)按鍵的識別、液晶顯示控制、信號發(fā)生控制等。信號發(fā)生器單元作用是識別單片機的指令產(chǎn)生脈沖信號。線圈驅(qū)動單元是將信號發(fā)生單元產(chǎn)生的脈沖信號進行電壓電流放大，從而驅(qū)動線圈，形成震蕩變化的電流。線圈將震蕩的電流變成磁場發(fā)射出去。接收線圈與發(fā)射線圈形成共振，將變化磁場轉(zhuǎn)化成變化的電壓。整流濾波單元將接收線圈形成的交流電壓整流濾波后供給負(fù)載工作。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

■2.1 電源轉(zhuǎn)換單元設(shè)計

常見的電源轉(zhuǎn)換電路有線性電源電路和開關(guān)電源電路兩類。線性電源電路的功率管工作在線性區(qū)域，而開關(guān)電源電路的功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，因此開關(guān)電源電路效率較高。為了提供系統(tǒng)的工作效率，電源轉(zhuǎn)換單元采用開關(guān)電源電路模塊LM2596，將輸入的+12V 電源轉(zhuǎn)換為+5V 電源供給單片機、液晶、按鍵、信號發(fā)生電路等工作,其電路圖如圖2 所示。圖中LM2596 采用輸出恒壓5V 的芯片LM2596-5V，該芯片工作頻率高達150kHz,只需外接簡單的幾個器件（圖中C111、C12、L3、D3）就可以實現(xiàn)輸出高效穩(wěn)定的電壓。

圖2 電源轉(zhuǎn)換單元電路圖

■2.2 控制器單元設(shè)計

控制器單元只需將按鍵信息識別、輸出頻率顯示、信號發(fā)生模塊控制即可，本系統(tǒng)采用低成本的STC89C52 單片機進行控制。STC89C52 單片機擁有8K 字節(jié)系統(tǒng)可以進行編程Flash 存儲器，含有512 個字節(jié)，具有價錢實惠、使用方便、編程容易等特點。在8 位單片機市場中占有很大份額，并且自帶看門狗復(fù)位電路，實現(xiàn)非法指令碼檢測復(fù)位和非法地址檢測復(fù)位等系統(tǒng)保護。其電路圖如圖3 所示?？刂破鲉卧▎纹瑱CSTC89C52 芯片、復(fù)位電路（圖中S1、C5、R4）、晶振電路（圖中Y1、C9、C10）、P0 口上來電阻排RP1。

圖3 控制器單元電路圖

■2.3 按鍵與液晶顯示單元設(shè)計

按鍵用于設(shè)置頻率大小，液晶顯示設(shè)置頻率的大小，其電路圖如圖4 所示。按鍵采用兩個獨立鍵盤的形式，單片機只需采集P34、P35 的高低電平就可以檢測出是否有按鍵按下，若有按鍵按下則執(zhí)行相應(yīng)的加減頻率動作。液晶顯示單元采用LCD1602 顯示模塊，是一種由彩色或者黑白像素組成的液晶顯示屏，一共能夠顯示32 個字符。LCD1602 模塊電路簡單，外接元件少，只需外接一個可調(diào)電阻對比度即可，圖中W1 用于調(diào)節(jié)液晶。

圖4 按鍵與液晶顯示單元電路圖

■2.4 信號發(fā)生單元設(shè)計

產(chǎn)生脈沖信號通常用多諧振蕩器產(chǎn)生、晶體振蕩器產(chǎn)生、直接數(shù)字頻率合成（DDS），為了得到穩(wěn)定可靠、容易調(diào)節(jié)的脈沖信號，本系統(tǒng)采用DDS 集成芯片產(chǎn)生，其電路圖如圖5 所示。圖中U1 為AD9833 集成芯片，AD9833 是一種能產(chǎn)生正弦波、三角波、脈沖信號多種波形DDS 芯片，其輸出的頻率和相位可進行軟件編程，調(diào)整非常簡單，不需要太多外部元器件。AD9833 頻率設(shè)置為28 位的寄存器，如果它的時鐘源為25M，通過編程能得到0.1Hz 分辨率的時鐘；相同的道理，如果它的時鐘源為25M，可以得到0.004Hz分辨率的時鐘。圖中AD8051 與R1、R2 組成的是同相放大器電路，將AD9833 輸出的信號進行放大6 倍左右。

圖5 信號發(fā)生單元電路圖

■2.5 線圈驅(qū)動及線圈單元設(shè)計

信號發(fā)生單元輸出的信號不能直接驅(qū)動發(fā)射線圈，因此，需要增加線圈驅(qū)動電路，其電路如圖6 所示。XKT1511是一個30W 大功率OTL 輸出的芯片。圖中Q1 和Q2 組成互補推挽電路，實現(xiàn)推動XKT1511 芯片。

■2.6 接收部分電路設(shè)計

接收部分電路圖如圖7 所示。圖中L2、C6 與圖6 中L1、C2參數(shù)一致，這樣發(fā)射線圈和接收線圈更容易產(chǎn)生諧振。圖中D1 為整流二極管，將線圈上的交流電轉(zhuǎn)化為直流電；C7、C8 為濾波電容、D2 為負(fù)載發(fā)光二極管。

圖6 線圈驅(qū)動及線圈單元電路圖

圖7 接收部分電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用C 語言進行編程，采用Keil uVision4 進行編寫和編譯系統(tǒng)代碼。Keil uVision4 編譯速度非?？?，只需要非常短的時間就可以把代碼編寫成HEX 文件，還帶有自動查錯的功能，非常好用。通過編寫程序可以利用語言把需要控制的部分連接在一起，形成一個功能強大的系統(tǒng)。

在編寫系統(tǒng)程序中，首先對單片機、DDS 模塊和顯示模塊進行初始化，接著檢測是否有按鍵按下，若有按鍵按下進行按鍵處理并更新顯示，最后將數(shù)據(jù)傳送給AD9833 進行更新輸出波形，其總體程序流程圖如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)總體程序流程圖

4 總結(jié)

本文所設(shè)計的磁耦合諧振無線電能傳輸將體外的電能以磁場為載體，對植入醫(yī)療設(shè)備進行提供能量。這種供電技術(shù)不會損傷皮膚，避免感染，減少治療痛苦，可大大提高和改善病人的生活質(zhì)量。希望本文能為植入式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計提供參考與借鑒。