基于MSP430单片机的光疗仪设计

［陈彬林 郑斌 罗杨 左晶 万小勤］

基于MSP430单片机的光疗仪设计

［陈彬林 郑斌 罗杨 左晶 万小勤］

光谱治疗具有高效、安全、辐照强度可调等特性，提出一种基于发光二极管（LED）的便携式多光谱理疗装置。装置光源选用蓝、红、黄三种LED，采用柱状类光棒模式排布，LED驱动TSP61161选用恒流驱动模块，核心控制模块MSP430RF5959对装置进行调控与参数检测，通过脉宽调控（PWM）控制方式高效调节光照能量，并利用手机端APP通过CC2541对理疗设备进行控制。确保了理疗仪的便携式操作与系统的可靠性。

LED 恒流驱动 脉宽调制 蓝牙

陈彬林

硕士研究生、就读于重庆邮电大学通信与信息工程学院。研究方向：人体局域网与智慧医疗系统。

1 引言

光疗作为一种有效的治疗手段，始于公元20世纪，太阳作为当时的辐射源，但是因为日光的辐射能受到地理、季节、时间等条件的限制，且日光特异性低、辐射能量小，很难满足治疗需求。随着科技的进步与发展，人工光源也取得了巨大的进步，红外灯、紫外灯、滤光片等产品不断被发明出来，光疗技术也发生翻天覆地的变化，开始被应用于各种疾病的治疗中。总的来说不同波段的光的治疗方法和治疗设备是有所不同。例如可见光范围中的蓝光（450～435nm）光疗的典型应用在新生儿黄疸的治疗。

近年来半导体技术的飞越发展，LED的发光效率、强度及使用寿命得到了较大的提高，采用LED作为光源的光疗设备在临床的应用日益广泛。大功率LED的出现增强了LED作为应用光疗的可行性［1］。在可见光范围内：（1）红光［2］（622～760nm）的波长最长，对组织的穿透力最强，穿透深度较深。红光能被皮肤及皮下组织吸收产生效应，使深部组织血管扩张，血液循环增强，改善组织营养，具有促进炎症吸收消散、镇痛和促进受伤组织愈合等作用。（2）蓝光［3］（435～450nm）是一种温和的刺激，具有镇静、杀菌、促进维生素D合成、止痛消炎、脱敏等作用。（3）黄光［4］（577～597nm）在治疗疾病的用途中不如上述两种广泛，黄光具有一定的活化细胞的作用，可促进胶原蛋白的合成，增强皮肤的胶原纤维和弹性纤维，美白皮肤的功效。

本文意在设计一款智能化的光疗仪，以MSP430FR5959单片机为控制模块，以TI公司的Boost型升压电源芯片TPS61161为LED灯组的驱动电路。LED芯片则用日本Nichia Corporation（日亚化学）出品的红光（NSPR336CS-E）、蓝光（NSPB336CS-E）、黄光（NSPA310S-E）三色单色LED。以5个单色的LED为一组，组成LED的灯组。通信模块选用TI公司出产的蓝牙4.0BLE的CC2541模块。这些模块组合成的多光谱智能化理疗仪。此外还需设计一款手机端控制的App。

2 硬件系统的构架

整套多光谱理疗仪包含光疗部分与手机控制部分，其中光疗部分主要包括3种LED灯组部分、LED驱动电路、核心控制与通信协议部分，驱动电源管理模块部分以及散热部分。手机端APP将通过蓝牙对整个光疗装置进行控制、其中核心模块将会监测记录LED灯组工作时间，同时还会监测记录电源用量等等信息，反馈到手机端APP。APP的软件部分主要是对系统的这些参数进行分析统计并负反馈控制该台光疗仪。系统构架如图1所示。

图1 硬件系统框图

3 硬件实现

多光谱理疗仪的硬件部分设计主要是有LED灯组、LED灯组驱动电路、控制与数据采集电路、通信模块蓝牙与电源管理电路。合理的LED灯组布局对光源高效利用与光源的均匀性至关重要，同时蓝牙模块作为核心控制模块与手机APP的通信控制的核心模块，且蓝牙连接的稳定性、低功耗等等优点。

3.1 LED光源阵列模块设计

LED是一种发光二极管，可以将电能转会为光能，是一种新型绿色的照明光源。LED光源是冷光源，发热少，安全性高，且在医疗方面已得到广泛引用。LED是一种光谱狭窄的单色光源，其辐射光波长决定于LED芯片性质。LED光源在光疗设备设计中，应考虑辐射通量、辐射强度、辐射照度等参数指标。

光源阵列模块选用亚日化学生产的LED，型号及部分参数分别为NSPR336CS-E（红）、NSPB336CS-E（蓝）、NSPA310S-E（黄）三种LED。该三种型号的LED的均是定工作电流20 mA。

根据光源的原理，单一波长的LED光源不符合要求，设计要有较大的发光面积。出于控制和驱动方便的要求，采用单波长LED构成单元阵列，再由多种波长的多个波长单元阵列组合成面光源。再用单元阵列组成6*5的大面积阵列、各单元阵列及它们组成的大面积阵列分别受相应阵列驱动电路驱动。单一阵列的驱动电路如图2所示。

图2 LED驱动电路

3.2 LED驱动模块

LED是一种电流控制器件，LED驱动器实际上是LED的驱动电源，即将交流电转换为恒流或者恒压直流电的电路装置。LED器件对 LED驱动电源的转换效率、有效功率、恒流精度、电源寿命、电磁兼容性的要求都非常的高，一款好的驱动电源必须综合考虑这些因素，

因为驱动电源在整个 LED灯具中的作用就像人的心脏一样的重要LED驱动器的主要任务是将交流电压转换为恒流的直流电源，并同时完成与 LED的电压和电流的匹配。

驱动电路采用德州仪器公司出品的DC/DC一款LED专用驱动芯片TPS61161，芯片提供PWM调控端口、高精度、高效率、体积小等优点。它是一款高频低功耗升压转换器，专门用于LED照明。TPS61161采用的是WSON封装、其6个引脚。

该芯片的Ctrl端为PWM输入端。通过调节PWM占空比即可调节灯组的输出功率。FB端为电流反馈段，FB端与地之间连接一个电流传感电阻，由一个0.2V的参考电压调节，灯组的恒流电流ID由FB端电压精度与电流传感电阻Rset精度共同决定。公式（1）可计算出恒流ID的值，当Rset为10 Ω时，ID为20 mA。

3.3 控制与数据采集模块

微控制单元（micro control unit，MUC）模块选择TI公司出品的MSP430FR5959单片机［5］，MSP430FR5959采用的是薄型小外形封装（TSSOP），尺寸大小是12.50 mm*6.20 mm。一共有38个引脚。该单片机具有超低功耗运行模式、同步串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）、1.8～3.6 V的低电源电压范围、以及带内部基准、采样以及自动扫描功能的10数模转换（analogue-to-digital conversion，ADC）。

此款MSP430［5］的系统构架，结合了7种低功耗模式优化，达到延长的电池寿命，例如在便携式LED控制程序。该设备具有强大的16位的RISC-cpu、16位寄存器和常用发生器实现最高的代码效率。MSP430FR5959的cup的16位RISC构架是高度透明的应用程序，除了程序流指令，所有的操作都是作为寄存器操作，结合7个寻址模式的源操作和4个寻址模式的目的地操作。

此系列的MSP430FR5959单片机继承了最丰富的片上外围模块，各个模块运行是完全独立的，定时器、输入输出借口、A/D转换、看门狗、液晶显示器等都可以在住CPU休眠的状态下独立运行，当需要CPU工作室，任何一个模块都可以通过终端唤醒CPU，而从事系统以最低功耗运行。

3.4 无线通信模块（CC2541）

通信模块控制则利用蓝牙，蓝牙［6］（Bluetooth）是一种短距离无线通信的无线电技术，在我们日常生活中的手机及其他设备终端里面处处可见，其工作的频段为2.4GHz。在2010年7月蓝牙技术联盟（SIG）发布了蓝牙4.0核心版，蓝牙4.0有以下优点（1）高可靠性，（2）低成本、低功耗，（3）快速启动、瞬间连接，（4）传输距离极大提高，（5）高安全性。

在这无线通信模块采用TI公司出品的CC2541［7］，CC2541是完全兼容蓝牙4.0的BLE协议的SoC解决方案，同时CC2541是开发出了相应的软件协议栈，开发者可以搭建自己的应用发开平台。CC2541内置标准的增强型兼低功耗的8051微控制内核，系统内含有可编程闪存存储器，8KB RAM和很多其它功能强大的特性和外设组合在一起。CC2541非常适合应用于需要超低功耗的系统。

CC2541是6 mm*6 mm方形扁平无引脚（QFN-40）封装。其工作电压范围2～3.6V，系统用蓝牙模块与MSP430单片机的串口TR、RX端连接，通过相关指令来控制相应设备动作。如蓝牙通信控制电路如图3所示。

图3

4 总结

当前科技日益发展，传统药物理疗、单一光疗等不在适用于理疗，本文设计了一种基于LED的便携式多光谱理疗装置，并详细地介绍了装置多光源阵列模块、驱动电路设计、MCU控制单元设计以及基于CC2541的无线通信模块等。该装置由手机通过合理的程序，经过蓝牙对不同LED灯的光照频率、强度、时间等参数的精确控制，利用LED光源高效、安全理疗。经理论分析得出：该装置方案是合理、可行的，并通过进一步实验，初步验证该基于LED多光谱理疗装置能基本实现预设功能，达到较好的治疗效果。由于光疗仪器局限于单一的普通的治疗，并没有在智能化、可控化、通信化上发展，所以在设计新型智能化有效光疗设备，将有利于推广光疗装置在日常生活中的使用。

1项红升，李明，霍荣龄，等.LED应用光疗的研究进展［J］.北京生物医学工程学报。2005

2JOdeML，Dilkes Mike G，eta1.New LED source fo r photodynamic therapy：preclinical study.Proceoding of SPIE—The International Society for Optical Engineering，1996，2629：299—305

3牟园芬.蓝光毯与蓝光箱治疗新生儿黄疸的疗效比较.护士进修杂志，2001，16（11）：814—815

4Gao SM，Luo XS，et a1.Analyzing of LED—induced blood fluorescent spectra.Chinese Journal of Lascis B（English Edition），2002，11（8）：315—318

5沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列l6位超低功耗单片机原理与应用.清华大学出版社，2004

6栾昌海，王盟.基于蓝牙的多路无线测试系统的研究与实现［J］.微计算机信息，2007，23（4-2）:265-266

7欧阳骏，陈子龙，黄宁淋.蓝牙4.0BLE开发完全手册物联网开发技术实战［M］.北京：化学工业出版社，2013.5-30

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.10.016

（2016-09-12）