0 引言

    電磁場技術(shù)與生物、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的交叉應(yīng)用使磁場的生物效應(yīng)越來越受到重視，特別是隨著低頻脈沖電磁場的生物效應(yīng)機(jī)理的深入研究^[1]，使得低頻脈沖磁場在未來的應(yīng)用中具有廣闊的前景。研究發(fā)現(xiàn)磁場通過不同的機(jī)理可使分子細(xì)胞、組織器官甚至整個機(jī)體發(fā)生形態(tài)和功能的改變，如對心肌細(xì)胞的影響^[2]、對成骨細(xì)胞增殖與分化的影響^[3]以及對骨質(zhì)疏松的生物效應(yīng)等^[4]。同時研究還發(fā)現(xiàn)溫?zé)岷?a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/振動" title="振動" target="_blank">振動對生物體也有積極作用^[5，6]。

    電磁場的頻率、占空比、強(qiáng)度以及作用時間對生物體的影響存在“窗口”效應(yīng)，為進(jìn)一步研究脈沖磁場、振動、溫度的生物效應(yīng)，需要參數(shù)方便調(diào)節(jié)的磁振熱系統(tǒng)。目前，國內(nèi)市場上較多為單一脈沖磁場發(fā)生儀，且參數(shù)較固定，為實(shí)驗(yàn)研究帶來一定的不便。本文在參考文獻(xiàn)[7-9]已取得一定成果的基礎(chǔ)上，研究提出了一種磁場、振動、溫度等各項(xiàng)參數(shù)均可獨(dú)立調(diào)節(jié)的設(shè)計方案，并完成磁振熱系統(tǒng)的研制和測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

    磁振熱系統(tǒng)以DSP為控制核心，結(jié)合運(yùn)算放大器、功率放大器、溫度傳感器、線圈、微型振動電機(jī)、遠(yuǎn)紅外加熱膜及相應(yīng)外圍電路構(gòu)成。整個系統(tǒng)分為以下幾個模塊： DSP控制模塊、電流驅(qū)動模塊、電源模塊、觸摸顯示屏以及輸出頭，如圖1所示。

    系統(tǒng)工作原理：DSP控制模塊根據(jù)觸摸顯示屏設(shè)定的脈沖參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)脈沖波，脈沖波經(jīng)數(shù)字電位器調(diào)節(jié)后進(jìn)入電流驅(qū)動電路，驅(qū)動輸出治療頭中的線圈和振動電機(jī)，產(chǎn)生脈沖磁場和振動。同時，DSP控制模塊通過反饋電路實(shí)時采集治療頭中線圈、振動電機(jī)的電流，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后將電流值作為磁感應(yīng)強(qiáng)度和振動幅度的參考，再通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器達(dá)到控制磁感應(yīng)強(qiáng)度和振動幅度的目的。治療頭中溫度傳感器將采集的加熱膜溫度傳送到DSP，DSP根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的溫度值來控制加熱膜的工作。觸摸屏一方面顯示系統(tǒng)的實(shí)時參數(shù)，如脈沖磁場頻率、磁感應(yīng)強(qiáng)度、振動幅度、溫度等，方便觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；另一方面將接收到的操作命令發(fā)送到DSP控制模塊，控制系統(tǒng)按照設(shè)定的參數(shù)工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 DSP控制模塊設(shè)計

    DSP控制模塊組成如圖2所示，控制模塊選用數(shù)字信號處理器TMS320F28335為主控制器。該器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外設(shè)集成度高、存儲量大、A/D轉(zhuǎn)換精度高等優(yōu)點(diǎn)。特別是這款芯片具有6 路高精度的脈沖寬度調(diào)制模塊，利用它能夠產(chǎn)生精確的脈沖波。

    數(shù)字電位器選用ISL90840，它具有4個通道，每個通道的可調(diào)級數(shù)均為256級，能夠滿足控制磁感應(yīng)強(qiáng)度和振動幅度的精度需要。ISL90840通過I²C接口與DSP連接，DSP通過相應(yīng)時序?qū)懭肟刂浦?，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器阻值，改變脈沖波幅值，從而改變磁感應(yīng)強(qiáng)度值和振動幅度值。DSP控制模塊還包括A/D轉(zhuǎn)換、溫度采集、數(shù)據(jù)保存及異常報警電路等。

2.2 電流驅(qū)動模塊設(shè)計

    電流驅(qū)動模塊的主要作用是將脈沖波電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電流，驅(qū)動線圈和微型振動電機(jī)。電路主要包括前級放大電路、壓控恒流源電路及電流采樣電路。模塊中一路驅(qū)動電路原理如圖3所示，前級放大采用運(yùn)算放大器OP07芯片（圖3中的U13），它是一種低噪聲、低輸入失調(diào)電壓、高增益的運(yùn)算放大器。前級放大可以提高恒流源電路的電流輸出能力，并且能夠抑制輸出大電流對DSP的影響，起到隔離保護(hù)作用。

    壓控恒流源電路主要由功率放大器OPA549（圖3中的U14）構(gòu)成，它能輸出高電壓、大電流，且具有極好的低電平信號精度。同時該放大器還具有使能控制、輸出限流控制和過熱保護(hù)等功能，可以驅(qū)動電機(jī)、線圈等大電流感性負(fù)載。電路中將OPA549設(shè)計為電壓控制電流電路，在一定范圍內(nèi)，輸入的電壓越大，電路輸出電流就越大。因此，通過控制前級放大輸入電壓來控制輸出電流的大小^[10]，其簡化后計算公式如下：

    通過合理選取R73、R70、R_s8的阻值，可使輸出電流I=A3(A3為功率放大器輸入電壓)。采樣反饋電路由精密采樣電阻R_s9和放大電路組成(圖3中的U15部分)，采集的電壓經(jīng)OP07放大后送到DSP進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并經(jīng)過處理后得到流過負(fù)載的實(shí)際電流值。

2.3 輸出頭

    輸出頭是產(chǎn)生磁場、振動和加熱的關(guān)鍵部件，它由線圈、微型振動電機(jī)、加熱膜及溫度傳感器組成。為使線圈產(chǎn)生的磁場達(dá)到需要的強(qiáng)度，兼顧線圈的發(fā)熱和電感，經(jīng)過理論計算、仿真以及實(shí)驗(yàn)測試，完成線圈的設(shè)計。加熱膜是通過紅外線輻射進(jìn)行傳熱的器件，它的溫度值由數(shù)字溫度傳感器DS18B20獲取。為減少治療頭中的連接線纜，多個DS18B20采用單總線連接方式，通過匹配傳感器內(nèi)部的序列號獲取相應(yīng)的溫度值。

3 軟件設(shè)計

    軟件完成的主要功能有脈沖波的產(chǎn)生及頻率與占空比的調(diào)節(jié)、數(shù)字電位器控制、功率放大器控制、磁場線圈電流和振動電機(jī)電流采樣處理、溫度采集控制、觸摸屏控制操作等。通過可靠的軟件設(shè)計確保系統(tǒng)正常、穩(wěn)定地運(yùn)行。本文重點(diǎn)介紹磁感應(yīng)強(qiáng)度的控制，由于確定線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈中通過的電流具有密切關(guān)系，因此通過控制線圈電流達(dá)到控制磁感應(yīng)強(qiáng)度的目的。利用比例-積分-微分(Proportion-Integration-Differentiation，PID)控制算法，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對線圈電流進(jìn)行控制。由于本系統(tǒng)是一種實(shí)時采樣控制系統(tǒng)，只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此采用數(shù)字PID控制算法。

式中，u(k)為第k次采樣時刻的控制輸出值，K_P、K_I、K_D為比例系數(shù)，k為采樣時刻， e(k)為第k次采樣時刻輸入的偏差值，e(k-1)為第k-1次采樣時刻輸入的偏差值。根據(jù)遞推原理可得：

    用式(2)減式(3)，可得：

式中Δe(k)=e(k)-e(k-1)。式(4)稱為增量式PID控制算法。由此，根據(jù)不同控制系統(tǒng)的特性確定K_P、K_I、K_D的值，再使用前后3次測量值的差可求出控制增量，并送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最終完成控制^[11]。

    磁感應(yīng)強(qiáng)度的數(shù)字PID控制過程如圖4所示。程序?qū)⒃O(shè)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為電流值，再根據(jù)輸出電流值與數(shù)字電位器控制值的關(guān)系得到電位器控制值，并將此值寫入數(shù)字電位器改變電位器阻值，控制脈沖波的幅度值，該脈沖波通過電流驅(qū)動模塊驅(qū)動線圈產(chǎn)生磁場。同時，程序通過不斷采樣處理獲得線圈實(shí)際電流值，根據(jù)線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流的關(guān)系得到實(shí)時磁感應(yīng)強(qiáng)度值，再運(yùn)用PID算法控制磁感應(yīng)強(qiáng)度值，使線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度值達(dá)到設(shè)定值范圍內(nèi)。

4 磁感應(yīng)強(qiáng)度的標(biāo)定

    脈沖磁感應(yīng)強(qiáng)度的主要測量方法有磁光效應(yīng)法和電磁感應(yīng)法。電磁感應(yīng)法測試原理如下：通過繞制匝數(shù)N、截面積S的探測線圈，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在探測線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為：

    為求出磁感應(yīng)強(qiáng)度, 需要對探測線圈的感應(yīng)電動勢E(t)進(jìn)行積分。為計算方便，采用自感自積分法進(jìn)行分析，其簡化的計算公式為：

式中：L為探測線圈的電感，R₁為探測線圈阻值，U(t)為測量電壓值^[12]。結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用如下標(biāo)定方法：首先在線圈中通入直流，使其產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場；然后使用高斯計測量參考點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，測量結(jié)果如表1所示。

    表1中電流值I是實(shí)際流過線圈的電流值，比例系數(shù)ρ是磁感應(yīng)強(qiáng)度值與電流值的比（此時電流值單位為A）。計算表中平均比例系數(shù)值為δ=33.9，誤差比例系數(shù)值θ=（ρ-δ）/δ。由表1可知，該線圈在參考點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈的電流成正比。因此，可以用線圈電流乘以比例系數(shù)δ，得到線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。同理，通過測量線圈的脈沖電流，并乘以比例系數(shù)δ就得到參考點(diǎn)的脈沖磁場感應(yīng)強(qiáng)度值。為進(jìn)一步驗(yàn)證標(biāo)定結(jié)果，在線圈中通入脈沖電流，并將繞制的探測線圈垂直放入線圈參考點(diǎn)，根據(jù)式(6)計算脈沖磁感應(yīng)強(qiáng)度值，得到的結(jié)果與脈沖電流乘比例系數(shù)結(jié)果相吻合。

5 測試結(jié)果

    磁振熱系統(tǒng)可調(diào)參數(shù)的范圍如表2所示。其中磁場脈沖頻率范圍為1~35 Hz連續(xù)可調(diào)，占空比10%~90%。脈沖磁場感應(yīng)強(qiáng)度值為參考點(diǎn)處測量值，范圍為0~40 mT。溫度設(shè)置范圍為室溫~60 ℃，顯示溫度精度為0.1 ℃。振動脈沖頻率為1~99 Hz，占空比固定為50%。

    選定其中一組參數(shù)：磁場脈沖頻率10 Hz、占空比50%、磁感應(yīng)強(qiáng)度30 mT、振動脈沖頻率20 Hz、占空比50%、振動幅度3 mm、設(shè)置溫度45 ℃。系統(tǒng)開始工作后，磁感應(yīng)強(qiáng)度值、振動幅度值和溫度值逐漸增加，到達(dá)設(shè)定值后在小范圍內(nèi)波動。分別利用示波器、探測線圈、振動測試儀、溫度計測試參數(shù)，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度和溫度控制曲線如圖5所示。圖6上半部分為電流驅(qū)動模塊上前級放大輸入時的10 Hz脈沖波形，下半部分為通過線圈的實(shí)際脈沖波形。

6 結(jié)論

    系統(tǒng)設(shè)計完成后，經(jīng)長時間運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）體積小，操作方便，工作穩(wěn)定，具有完善的異常檢測和保護(hù)功能；（2）采用DSP能夠產(chǎn)生高精度、參數(shù)方便調(diào)節(jié)的脈沖波；（3）磁感應(yīng)強(qiáng)度、振動幅度采用PID控制算法，控制效果良好；（4）磁場脈沖頻率、占空比、磁感應(yīng)強(qiáng)度、振動幅度、溫度及工作時間等參數(shù)方便設(shè)置，磁場、振動、加熱3種功能可根據(jù)需要單獨(dú)或者組合使用。但在測試過程中也發(fā)現(xiàn)一些不足之處，如振動脈沖頻率與期望產(chǎn)生的振動頻率并沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，這是下一步工作需要完善的地方。磁振熱系統(tǒng)將磁場、振動和溫?zé)?種物理因子結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)三者參數(shù)獨(dú)立調(diào)節(jié)使用的功能，為臨床上進(jìn)一步研究不同參數(shù)的脈沖磁場產(chǎn)生的生物效應(yīng)，以及在一定溫度及振動強(qiáng)度共同作用下產(chǎn)生的影響提供技術(shù)參考。

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