基于模糊PID控制的神經(jīng)血管治療儀的設(shè)計(jì)

摘要：采用光照輻射可以促進(jìn)糖尿病足潰瘍愈合，但光照強(qiáng)度控制不當(dāng)，極有可能造成患者的低溫?zé)齻?。本文介紹一種具有模糊PID控制的神經(jīng)血管治療儀的設(shè)計(jì)，該治療儀采用嵌入式ARM設(shè)計(jì)，通過紅外溫度傳感器采集患者照射部位的溫度，根據(jù)模糊PID算法控制調(diào)節(jié)LED照射功率，能夠是使患者治療部位的溫度控制在預(yù)設(shè)范圍，有效避免患者被燒傷。

關(guān)鍵詞：模糊PID;嵌入式;治療儀

中圖分類號(hào)G644?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

ABSTRACT：The light radiation can promote the healing of diabetic foot ulcer，but improper of light intensity will causing low temperature burn. This paper introduces the design of a neurovascular therapy instrument with fuzzy PID control. The instrument adopts embedded arm design，collects the temperature of the patient's irradiation site by infrared temperature sensor，and adjusts the irradiation power of LED according to the fuzzy PID algorithm，which can control the temperature of the patient's treatment part in the preset range，and effectively avoid the patient being burned.

KEY WORDS：Fuzzy PID;Embedded;Therapeutic instrument

引言

糖尿病是世界范圍內(nèi)的一種常見疾病，約15%的糖尿病患者將發(fā)生糖尿病足潰瘍[1]，如果感染及潰面不能得到有效的控制，約有20%的糖尿病足患者將面臨截肢的風(fēng)險(xiǎn)[2]。隨著物理康復(fù)技術(shù)的發(fā)展，采用激光、紅外光等光照輻射儀器照射潰瘍部位，促進(jìn)糖尿病足潰瘍愈合的方法逐漸進(jìn)入臨床。

本文介紹一種模糊PID控制的神經(jīng)血管治療儀的設(shè)計(jì)，該儀器采用紅光和紅外光LED對(duì)患者潰瘍部位進(jìn)行照射治療，并通過紅外探頭檢測患者被照射部位的體溫，根據(jù)模糊PID控制方法調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，使得患者在使用紅光-紅外光治療時(shí)，有效避免患者被燒傷。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1整機(jī)設(shè)計(jì)

基于模糊PID控制的神經(jīng)血管治療儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，主控芯片采用嵌入式ARM設(shè)計(jì)，包括觸摸顯示屏、紅外測溫模塊、LED驅(qū)動(dòng)電路、輸出調(diào)節(jié)電路、LED陣列等模塊組成。系統(tǒng)通過MLX90615集成式紅外溫度傳感器采集患者照射部位的溫度，嵌入式系統(tǒng)根據(jù)模糊PID算法控制LED驅(qū)動(dòng)電路和輸出調(diào)節(jié)電路，從而調(diào)節(jié)陣列式LED陣列的照射功率，使患者治療部位的溫度控制在預(yù)設(shè)值范圍。

1.2基于模糊PID溫度控制

治療儀的溫度控制系統(tǒng)采用模糊PID控制方案，控制原理如圖2所示。圖中r（t）為輸入，y（t）為輸出，E為輸入的溫度偏差，Ec為偏差變化率，u（k）為控制量。Kp是加快響應(yīng)的比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。系統(tǒng)通過輸入當(dāng)前溫度偏差E和偏差變化率Ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，解模糊后進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整[3]，從而調(diào)節(jié)輸出溫度達(dá)到預(yù)定值。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ARM控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用STM32F103作為控制核心，該處理器是ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核推出的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC處理器，具有很高的代碼效率，提供了優(yōu)秀的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)，具有豐富的通用I/O端口，工作頻率達(dá)72MHz，內(nèi)置20K的SRAM和256K的Flash存儲(chǔ)器。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、手持設(shè)備、實(shí)時(shí)控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

2.2紅外測溫模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的溫度測量采用非接觸式多點(diǎn)紅外測溫系統(tǒng)，即在LED陣列中嵌入數(shù)個(gè)MLX90615紅外溫度傳感器，在光照治療的過程中測量患者治療部的溫度。

MLX90615內(nèi)部集成了紅外傳感器、放大器、16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、濾波器和DSP單元等，其結(jié)構(gòu)如框圖如圖1中虛框內(nèi)所示。紅外傳感器將采集到的溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)低噪聲運(yùn)算放大器放大后，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)FIR/IIR濾波器處理，送到數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行運(yùn)算和處理，并將測量結(jié)果出入MLX90615內(nèi)部RAM中，主控ARM可以通過SMBus或PWM方式讀取測量結(jié)果。

2.3 LED陣列輸出控制模塊

（1）LED驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)采用數(shù)字可調(diào)電源來控制輸出到LED陣列的電壓。LED驅(qū)動(dòng)電路以LM2576-ADJ為核心，LM2576-ADJ是降壓型集成穩(wěn)壓器，最大輸出電流為3A。功放電路如圖3所示，LM2576-ADJ輸入電壓Vin為15V，輸出電壓計(jì)算公式如。其中，Vref=1.23V，R2=10k?，Rref為數(shù)字電位器MCP4161的阻值，MCP4161最大值10k?，255級(jí)可調(diào)，主控芯片STM32F103通過串行外設(shè)接口（SPI）與MCP4161通訊，通過調(diào)整MCP4161的阻值，使Vout在2.46V-15V可調(diào)，用于控制輸出到LED陣列上的電壓，實(shí)現(xiàn)輸出功率調(diào)節(jié)。

（2）輸出調(diào)節(jié)電路

輸出調(diào)節(jié)電路如圖4所示，圖中P2為連接LED陣列的接口，+Vss是功放電路調(diào)節(jié)后的輸出電壓，P2連接的LED陣列是否工作由場效應(yīng)管Q3控制。PWM是來自ARM的脈寬調(diào)制信號(hào)，經(jīng)Q4調(diào)幅后，作為場效應(yīng)管Q3的開關(guān)信號(hào)。當(dāng)PWM為低電平時(shí)，Q3導(dǎo)通，LED陣列正常工作，LED陣列中嵌入的MLX90615紅外溫度傳感器停止工作;當(dāng)PWM為高電平時(shí)，Q3截止，LED陣列停止發(fā)光，MLX90615紅外溫度傳感器采集患者治療部位的溫度。

通過PWM信號(hào)的調(diào)節(jié)，一方面可以使LED陣列和紅外溫度傳感器交替工作，減小對(duì)紅外溫度傳感器的干擾，提高溫度測量的準(zhǔn)確度;另一方面，使得輸出到負(fù)載上的電壓不是穩(wěn)壓直流電源，而是經(jīng)過調(diào)制的PWM直流電源，可以方便的對(duì)LED陣列的功率進(jìn)行輸出微調(diào)。

2.4人機(jī)交互模塊

系統(tǒng)采用了北京迪文公司的10.1吋TFT-LCD觸摸屏作為顯示終端。該觸摸屏自帶處理器和FLASH存儲(chǔ)器等功能模塊，通過RS232串口與主控ARM處理器進(jìn)行通信，主控ARM向觸摸屏發(fā)送迪文公司的HMI指令，可以控制屏幕的各項(xiàng)顯示;用戶通過觸摸屏發(fā)布的控制命令或輸入的數(shù)據(jù)通過RS232傳回給ARM處理器，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

3結(jié)論

在對(duì)患者進(jìn)行LED光照射治療時(shí)，通常需要將治療部位的溫度控制在45℃以下。本文介紹了一種基于模糊PID控制的神經(jīng)血管治療儀，可以通過模糊PID控制治療時(shí)的溫度，能將治療溫度控制在預(yù)設(shè)值士1℃的范圍內(nèi)，能有效避免患者被燒傷，使用更加安全放心，為糖尿病足患者的康復(fù)治療和臨床研究提供了良好的平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]葉楓葉，董萍.低強(qiáng)度激光療法在糖尿病足潰瘍治療中的應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].中華臨床醫(yī)師雜志（電子版），2015，9（11）：2208-2211.

[3]彭小容，彭小玲.基于模糊PID的顆粒食品定量稱量控制[J].食品工業(yè)，2020，41（06）：226-229.

作者簡介：劉虔鋮（1982-），男，四川省岳池人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)儀器開放與測試。

基金資助：2018年度廣東省醫(yī)學(xué)科研基金（A2018338），2017年度廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院科研項(xiàng)目（2017ZR008）

廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院?廣東廣州?510520