文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.008
中文引用格式： 閆文超，鄒超，張志偉，等. 高強度聚焦超聲治療的水處理系統(tǒng)設計[J].電子技術(shù)應用，2016，42(1)：34-36，43.
英文引用格式： Yan Wenchao，Zou Chao，Zhang Zhiwei，et al. The design of water treatment system of high-intensity focused ultrasound[J].Application of Electronic Technique，2016，42(1)：34-36，43.
0 引言
高強度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）治療中，由于空氣和人體組織聲阻抗具有較大的差異，因此需要通過介質(zhì)水耦合到靶向組織以實現(xiàn)超聲波的有效傳播。同時為了避免不可控的空化效應以及水中雜質(zhì)對超聲波的反射，必須將水中的氣泡、顆粒雜質(zhì)以及離子去除。國家標準YY0592-2005中要求HIFU用水含氧量<4 mg/L，IEC62127標準中要求超聲用水電導率<=5 μS/cm。此外，HIFU治療中介質(zhì)水還起到散熱降溫作用。現(xiàn)有的HIFU水處理設備多采用真空泵脫氣等方法，其體積較大，出水效率低，且不能定量地控制治療水箱中的水量，不能滿足快速循環(huán)用水的制備需求[1]。本文設計的高強度聚焦超聲治療水處理系統(tǒng)采用循環(huán)脫氣方式，對水路壓力、流速實時監(jiān)測，實現(xiàn)了聚焦超聲用水的脫氣、去離子和流量的控制。整個循環(huán)水路各個部分有電磁閥控制，并具有良好的密封性，保證水質(zhì)量達到預期的效果，系統(tǒng)各部分狀態(tài)通過ARM實時傳輸至上位機，可達到實時監(jiān)控的效果。
水處理系統(tǒng)分為3個部分：水凈化處理部分、水脫氣處理部分和流量控制部分?？傮w設計如圖1所示。水凈化處理部分主要去除水中的顆粒雜質(zhì)、氯氣、細菌以及離子等。水脫氣部分用于去除水中溶解的氧氣等氣體。流量控制選用Microchip公司的單片機PIC18f46k22為核心控制芯片，通過編寫控制系統(tǒng)主程序，實現(xiàn)觸摸串口屏控制和動態(tài)檢測水量、水壓和制水速度等，同時在Qt軟件環(huán)境下編寫了上位機界面，對單片機實現(xiàn)了多種方法控制，使操作變得靈活。
1 水處理系統(tǒng)水路連接設計
水凈化處理部分主要去除水中的顆粒雜質(zhì)、氯氣、細菌以及離子等。如圖1所示，預置濾芯1-5分別裝有1 μm聚丙烯(polypropylene，pp)棉、顆粒活性炭、結(jié)型活性炭、軟水樹脂、1 μm pp棉等預過濾處理裝置。pp棉用于濾除顆粒雜質(zhì)，活性炭用于濾除自來水中的氯氣，軟水樹脂用于去除水中的鈣鎂等陽離子，防止結(jié)垢。預制過濾部分主要功能是保護水脫氣RO膜?；旌想x子交換柱裝有陽離子和陰離子交換樹脂，進一步去除水中的離子。后置活性炭過濾濾芯進一步過濾水中雜質(zhì)，更加徹底地吸附水中的異色、異味，同時抑制水中細菌再生。
水脫氣部分用于去除水中溶解的氧氣等氣體。真空泵用于抽除脫氣膜中的氣體，提供脫氣膜工作所需的真空環(huán)境。脫氣膜裝置用于增大氣液接觸的表面積，提高脫氣效率。壓力桶用于緩存制備的HIFU用水，可以提供一定的壓力以完成向聚焦超聲水箱的進水操作，同時壓力桶的結(jié)構(gòu)可確保所制備的水與空氣隔離。
流量控制部分用于控制聚焦超聲水箱中入水和出水的體積和速度，通過流量計計算出入水體積。
2 系統(tǒng)硬件設計
硬件控制系統(tǒng)主要由上位機PC監(jiān)控部分、PIC18f46k22主控板部分組成[2-3]。主控系統(tǒng)以PIC18f46k22控制器為核心，外圍硬件連接時鐘計時電路、帶光電隔離電磁閥驅(qū)動電路、固態(tài)繼電器驅(qū)動電路、流量計、真空壓力傳感器、RO膜壓力傳感器、高壓開關(guān)、觸摸串口屏和電源模塊。以PIC18f46k22為主控板，通過RS232串口與7寸觸摸串口屏連接，觸摸屏按固定的幀格式動態(tài)地與單片機信息交互；同時擴展另一路RS232串口通過ARM與上位機PC連接，上位機PC基于Qt軟件編寫操控界面，通過ARM與單片機信息交互。該系統(tǒng)既可以通過觸摸屏現(xiàn)場操控水處理系統(tǒng)，又可通過PC遠程操控，系統(tǒng)硬件設計如圖2所示。
2.1 電源控制電路
單片機采用直流24 V模塊電源供電，需要將24 V轉(zhuǎn)換為12 V直流供觸摸串口屏，5 V直流供單片機。電源轉(zhuǎn)換電路采用TPS5410芯片和ML2940CT芯片，分別轉(zhuǎn)換為直流12 V和5 V。
2.2 電磁閥驅(qū)動電路
采用光電隔離芯片LTP521、MOS管STF19NF20開關(guān)，能安全穩(wěn)定地提供直流電壓、打開和關(guān)閉電磁閥，且開關(guān)切換過程由于電路具有光電隔離特性，使得電路系統(tǒng)穩(wěn)定地切換。
2.3 固態(tài)繼電器驅(qū)動電路
固態(tài)繼電器和增壓泵、脫氣泵相連，在常態(tài)下，固態(tài)繼電器處于關(guān)閉狀態(tài)，當打開驅(qū)動增壓泵固態(tài)繼電器時，外接24 V模塊電源提供24 V電壓驅(qū)動增壓泵工作。打開驅(qū)動脫氣泵固態(tài)繼電器時，外接220 V交流電直接供給脫氣泵工作。
2.4 時鐘計時電路
時鐘芯片通過IIC與單片機連接，時鐘線IIC_SCL、時鐘應答線IIC_SDA，通過鋰電池給時鐘芯片供電。時鐘電路能校準時鐘，并且PIC控制電路實現(xiàn)了實時檢測電池電壓功能。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件采用模塊化的設計，將各個功能進行分解，便于移植。水處理系統(tǒng)的軟件設計主要由上位機基于Qt軟件操控界面設計和主控板PIC控制部分組成[4-6]。在控制板的主程序中，將各個功能模塊化，其中包括時鐘計時模塊、中斷模塊、流量控制模塊、觸摸串口屏模塊和遠程PC操控界面模塊。在主程序開始時，軟件配置PIC單片機基本設置，包括系統(tǒng)時鐘、看門狗分頻、電壓低壓檢測參考標準電壓、關(guān)閉寫保護、打開在線調(diào)試模式功能等。初始化過程包括系統(tǒng)時鐘、定時器、IO端口、(uart)串口和端口中斷的初始化，并使能中斷優(yōu)先級，時鐘芯片初始化并獲得時間。緊接著單片機向串口屏發(fā)送固定格式的指令，使觸摸屏進入主控界面。接下來系統(tǒng)進入循環(huán)，通過掃描各個中斷標志位的變化，實時響應串口屏、上位機命令和各類傳感器的中斷請求，顯示水處理設備狀態(tài)，并將信息上傳到串口觸摸屏，動態(tài)交互。水處理系統(tǒng)通過定時器配合流量計動態(tài)顯示出入、循環(huán)水量，既可以定量控制出入水量，又可連續(xù)出入水[5-6]。各個傳感器實時顯示水路的狀態(tài)，當出現(xiàn)異常時，控制系統(tǒng)自動處理異常，并實時動態(tài)地更新到觸摸串口屏和上位機操控系統(tǒng)[7]。串口屏或者上位機可以發(fā)送消息來控制進出水電磁閥的打開、關(guān)斷，電磁閥和傳感器的狀態(tài)也會實時更新到觸摸串口屏和上位機操控系統(tǒng)。PIC控制程序如圖3。
通過配置串口觸摸屏的配置文件和單片機動態(tài)信息交互，系統(tǒng)開機初始化之后串口屏主控界面如圖4所示。
4 上位機控制界面設計
水處理系統(tǒng)主控板與上位機通過ARM相連。主控板通過RS232接口與ARM相連，同時ARM與上位機通過以太網(wǎng)接口相連。上位機控制界面是由軟件Qt編寫，基于TCP/IP的socket編程，依據(jù)觸摸屏與主控板的交互模式和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)幀格式，自定義以太網(wǎng)、串口解析協(xié)議。上位機軟件根據(jù)現(xiàn)有的框架進行合理科學的布局，形成一個美觀的儀表界面。上位機實現(xiàn)和觸摸屏類似的功能，可以發(fā)出控制命令給單片機主控板，主控板將水處理系統(tǒng)實時工作狀態(tài)反饋給上位機，實現(xiàn)水處理系統(tǒng)的遠程操控和狀態(tài)監(jiān)測[8]。上位機界面如圖5所示。
5 測試
水處理系統(tǒng)出水的含氧量和電導率是鑒定是否滿足HIFU用水的兩個重要指標。
水處理系統(tǒng)開機5分鐘之后采樣1.5 L水，送至深圳市計量質(zhì)量檢測研究院進行檢驗。含氧量測試依據(jù)HJ 506-2009標準，電導率測試依據(jù)GB/T 6682-2008標準，測試結(jié)果如圖6所示，系統(tǒng)出水的含氧量是3.3 mg/L，電導率為0.7 μS/cm，滿足HIFU用水的指標。
6 結(jié)論
本文介紹了水凈化和脫氣設備的水路連接設計，基于PIC18f46k22控制主板進行硬件和軟件設計，基于Qt上位機界面設計，并配合觸摸串口屏具體說明了工作流程。該設備體積小，操作簡單，出水速度快，實現(xiàn)了高強度聚焦超聲治療系統(tǒng)水處理設備的自動化、小型化和智能化。經(jīng)測試該設備制備水的含氧量、電導率指標滿足HIFU用水的條件，高強度聚焦超聲治療的水處理設備在聚焦超聲治療領域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應用。
參考文獻
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