基于DSP的磁振热系统的研究与实现

朱 凯，伍瑞卿，2，张 雷，顾庆水

(1.电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 611731;2.电子科技大学 信息医学研究中心，四川 成都611731)

基于DSP的磁振热系统的研究与实现

朱 凯1，伍瑞卿1，2，张 雷1，顾庆水1

(1.电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 611731;2.电子科技大学 信息医学研究中心，四川 成都611731)

低频脉冲磁场、振动、发热三种物理因子对生物体具有积极作用，因而磁振热系统受到广泛关注。利用数字信号处理器DSP作为系统控制核心，产生频率、占空比、幅度均可调节的脉冲波，经电流驱动电路驱动输出头，产生脉冲磁场、振动和发热。系统产生的三种物理因子的参数均可调节，并可以组合使用。实验测试结果表明，该系统操作方便，性能稳定，参数达到预期要求，为进一步临床应用奠定基础。

脉冲磁场;DSP;振动;温度

0 引言

电磁场技术与生物、医学等学科的交叉应用使磁场的生物效应越来越受到重视，特别是随着低频脉冲电磁场的生物效应机理的深入研究[1]，使得低频脉冲磁场在未来的应用中具有广阔的前景。研究发现磁场通过不同的机理可使分子细胞、组织器官甚至整个机体发生形态和功能的改变，如对心肌细胞的影响[2]、对成骨细胞增殖与分化的影响[3]以及对骨质疏松的生物效应等[4]。同时研究还发现温热和振动对生物体也有积极作用[5，6]。

电磁场的频率、占空比、强度以及作用时间对生物体的影响存在“窗口”效应，为进一步研究脉冲磁场、振动、温度的生物效应，需要参数方便调节的磁振热系统。目前，国内市场上较多为单一脉冲磁场发生仪，且参数较固定，为实验研究带来一定的不便。本文在参考文献[7-9]已取得一定成果的基础上，研究提出了一种磁场、振动、温度等各项参数均可独立调节的设计方案，并完成磁振热系统的研制和测试。

1 系统总体设计

磁振热系统以DSP为控制核心，结合运算放大器、功率放大器、温度传感器、线圈、微型振动电机、远红外加热膜及相应外围电路构成。整个系统分为以下几个模块：DSP控制模块、电流驱动模块、电源模块、触摸显示屏以及输出头，如图1所示。

图1 系统总体框图

系统工作原理：DSP控制模块根据触摸显示屏设定的脉冲参数产生相应脉冲波，脉冲波经数字电位器调节后进入电流驱动电路，驱动输出治疗头中的线圈和振动电机，产生脉冲磁场和振动。同时，DSP控制模块通过反馈电路实时采集治疗头中线圈、振动电机的电流，经A/D转换后将电流值作为磁感应强度和振动幅度的参考，再通过调节数字电位器达到控制磁感应强度和振动幅度的目的。治疗头中温度传感器将采集的加热膜温度传送到DSP，DSP根据系统设定的温度值来控制加热膜的工作。触摸屏一方面显示系统的实时参数，如脉冲磁场频率、磁感应强度、振动幅度、温度等，方便观察系统运行状态;另一方面将接收到的操作命令发送到DSP控制模块，控制系统按照设定的参数工作。

2 系统硬件设计

2.1 DSP控制模块设计

DSP控制模块组成如图2所示，控制模块选用数字信号处理器 TMS320F28335为主控制器。该器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、存储量大、A/D转换精度高等优点。特别是这款芯片具有6路高精度的脉冲宽度调制模块，利用它能够产生精确的脉冲波。

图2 DSP控制模块框图

数字电位器选用ISL90840，它具有4个通道，每个通道的可调级数均为256级，能够满足控制磁感应强度和振动幅度的精度需要。ISL90840通过 I2C接口与 DSP连接，DSP通过相应时序写入控制值，调节数字电位器阻值，改变脉冲波幅值，从而改变磁感应强度值和振动幅度值。DSP控制模块还包括A/D转换、温度采集、数据保存及异常报警电路等。

2.2 电流驱动模块设计

电流驱动模块的主要作用是将脉冲波电压转换为脉冲电流，驱动线圈和微型振动电机。电路主要包括前级放大电路、压控恒流源电路及电流采样电路。模块中一路驱动电路原理如图3所示，前级放大采用运算放大器OP07芯片(图3中的U13)，它是一种低噪声、低输入失调电压、高增益的运算放大器。前级放大可以提高恒流源电路的电流输出能力，并且能够抑制输出大电流对DSP的影响，起到隔离保护作用。

图3 电流驱动电路原理图

压控恒流源电路主要由功率放大器OPA549(图 3中的 U14)构成，它能输出高电压、大电流，且具有极好的低电平信号精度。同时该放大器还具有使能控制、输出限流控制和过热保护等功能，可以驱动电机、线圈等大电流感性负载。电路中将OPA549设计为电压控制电流电路，在一定范围内，输入的电压越大，电路输出电流就越大。因此，通过控制前级放大输入电压来控制输出电流的大小[10]，其简化后计算公式如下：

通过合理选取 R73、R70、Rs8的阻值，可使输出电流I=A3(A3为功率放大器输入电压)。采样反馈电路由精密采样电阻Rs9和放大电路组成(图3中的 U15部分)，采集的电压经OP07放大后送到DSP进行A/D转换，并经过处理后得到流过负载的实际电流值。

2.3 输出头

输出头是产生磁场、振动和加热的关键部件，它由线圈、微型振动电机、加热膜及温度传感器组成。为使线圈产生的磁场达到需要的强度，兼顾线圈的发热和电感，经过理论计算、仿真以及实验测试，完成线圈的设计。加热膜是通过红外线辐射进行传热的器件，它的温度值由数字温度传感器DS18B20获取。为减少治疗头中的连接线缆，多个 DS18B20采用单总线连接方式，通过匹配传感器内部的序列号获取相应的温度值。

3 软件设计

软件完成的主要功能有脉冲波的产生及频率与占空比的调节、数字电位器控制、功率放大器控制、磁场线圈电流和振动电机电流采样处理、温度采集控制、触摸屏控制操作等。通过可靠的软件设计确保系统正常、稳定地运行。本文重点介绍磁感应强度的控制，由于确定线圈产生的磁感应强度与线圈中通过的电流具有密切关系，因此通过控制线圈电流达到控制磁感应强度的目的。利用比例-积分-微分(Proportion-Integration-Differentiation，PID)控制算法，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对线圈电流进行控制。由于本系统是一种实时采样控制系统，只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此采用数字PID控制算法。

式中，u(k)为第k次采样时刻的控制输出值，KP、KI、KD为比例系数，k为采样时刻，e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值，e(k-1)为第k-1次采样时刻输入的偏差值。根据递推原理可得：

用式(2)减式(3)，可得：

式中 Δe(k)=e(k)-e(k-1)。式(4)称为增量式PID控制算法。由此，根据不同控制系统的特性确定 KP、KI、KD的值，再使用前后3次测量值的差可求出控制增量，并送到执行机构，最终完成控制[11]。

磁感应强度的数字PID控制过程如图4所示。程序将设定的磁感应强度值转换为电流值，再根据输出电流值与数字电位器控制值的关系得到电位器控制值，并将此值写入数字电位器改变电位器阻值，控制脉冲波的幅度值，该脉冲波通过电流驱动模块驱动线圈产生磁场。同时，程序通过不断采样处理获得线圈实际电流值，根据线圈磁感应强度与电流的关系得到实时磁感应强度值，再运用PID算法控制磁感应强度值，使线圈产生的磁感应强度值达到设定值范围内。

图4 磁感应强度控制流程图

4 磁感应强度的标定

脉冲磁感应强度的主要测量方法有磁光效应法和电磁感应法。电磁感应法测试原理如下：通过绕制匝数N、截面积S的探测线圈，根据法拉第电磁感应定律，在探测线圈中产生的感应电动势为：

为求出磁感应强度，需要对探测线圈的感应电动势E(t)进行积分。为计算方便，采用自感自积分法进行分析，其简化的计算公式为：

式中：L为探测线圈的电感，R1为探测线圈阻值，U(t)为测量电压值[12]。结合本系统的特点，采用如下标定方法：首先在线圈中通入直流，使其产生稳定的磁场;然后使用高斯计测量参考点处的磁感应强度，测量结果如表1所示。

表1 线圈电流与磁感应强度关系

表1中电流值I是实际流过线圈的电流值，比例系数ρ是磁感应强度值与电流值的比(此时电流值单位为A)。计算表中平均比例系数值为δ=33.9，误差比例系数值θ=(ρ-δ)/δ。由表 1可知，该线圈在参考点产生的磁感应强度与线圈的电流成正比。因此，可以用线圈电流乘以比例系数δ，得到线圈产生的磁感应强度。同理，通过测量线圈的脉冲电流，并乘以比例系数δ就得到参考点的脉冲磁场感应强度值。为进一步验证标定结果，在线圈中通入脉冲电流，并将绕制的探测线圈垂直放入线圈参考点，根据式(6)计算脉冲磁感应强度值，得到的结果与脉冲电流乘比例系数结果相吻合。

5 测试结果

磁振热系统可调参数的范围如表2所示。其中磁场脉冲频率范围为1～35 Hz连续可调，占空比10%～90%。脉冲磁场感应强度值为参考点处测量值，范围为0～40 mT。温度设置范围为室温～60℃，显示温度精度为0.1℃。振动脉冲频率为 1～99 Hz，占空比固定为50%。

选定其中一组参数：磁场脉冲频率 10 Hz、占空比50%、磁感应强度 30 mT、振动脉冲频率 20 Hz、占空比50%、振动幅度3 mm、设置温度45℃。系统开始工作后，磁感应强度值、振动幅度值和温度值逐渐增加，到达设定值后在小范围内波动。分别利用示波器、探测线圈、振动测试仪、温度计测试参数，得到磁感应强度和温度控制曲线如图5所示。图6上半部分为电流驱动模块上前级放大输入时的10 Hz脉冲波形，下半部分为通过线圈的实际脉冲波形。

表2 可调参数范围

图5 磁感应强度和温度控制曲线

图6 磁场脉冲波形

6 结论

系统设计完成后，经长时间运行试验，结果表明该系统具有以下特点：(1)体积小，操作方便，工作稳定，具有完善的异常检测和保护功能;(2)采用 DSP能够产生高精度、参数方便调节的脉冲波;(3)磁感应强度、振动幅度采用PID控制算法，控制效果良好;(4)磁场脉冲频率、占空比、磁感应强度、振动幅度、温度及工作时间等参数方便设置，磁场、振动、加热3种功能可根据需要单独或者组合使用。但在测试过程中也发现一些不足之处，如振动脉冲频率与期望产生的振动频率并没有明显的对应关系，这是下一步工作需要完善的地方。磁振热系统将磁场、振动和温热3种物理因子结合起来，实现三者参数独立调节使用的功能，为临床上进一步研究不同参数的脉冲磁场产生的生物效应，以及在一定温度及振动强度共同作用下产生的影响提供技术参考。

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Research and implementation of magnetic fields-vibration-heating system based on DSP

Zhu Kai1，Wu Ruiqing1，2，Zhang Lei1，Gu Qingshui1
(1.School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China; 2.Center for Information in Bio-Medical，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China)

More and more attentions focus on the pulsed magnetic fields-vibration-heating system，because of its positive effects on the organism.This paper proposes a system using DSP as main controller，which generates low frequency pulse wave.All of the frequency，duty ratio and amplitude can adjust.The pulse wave is used to drive the treatment component through current driving circuit，generating pulsed magnetic fields，vibration and heating.The parameters of three physical factors can be activated according as expected combination.Experiment results show that this system has the advantages of convenient operation and stable performance，the parameters achieve the desired effect，and it lays the foundation of further clinical trials.

pulsed magnetic fields;DSP;vibration;temperature

TP23;R318.6

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.003

朱凯，伍瑞卿，张雷，等.基于 DSP的磁振热系统的研究与实现[J].电子技术应用，2015，41(8)：13-16.

英文引用格式:Zhu Kai，Wu Ruiqing，Zhang Lei，et al.Research and implementation of magnetic fields-vibration-heating system based on DSP[J].Application of Electronic Technique，2015，41(8)：13-16.

2015-04-21)

朱凯(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统设计、数字信号处理。

伍瑞卿(1977-)，男，副教授，硕士生导师，主要研究方向：嵌入式系统研究、医用电子、图像处理、网络通信。

张雷(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式软件开发、图像处理。