多频振动排石仪控制系统

引 言

泌尿系结石是一种非常古老的疾病，是泌尿外科的常见病之一，传统的治疗方法为开放手术和药物溶石排石法。随着科技的进步，微创科技飞速发展并逐渐成熟，已成为泌尿系结石的主要治疗方法。泌尿系结石的微创法包括经皮肾镜取石、经输尿管申镜取石、经尿道膀胱镜碎石取石和体外冲击波碎石等。其中，体外冲击波碎石无需在患者身上开刀手术，属于无创治疗，是治疗泌尿系结石公认的首选方法 [1]。

较大泌尿结石可通过体外碎石机治疗。体外碎石机产生冲击波，由机器聚焦后对准结石，经过多次释放能量而击碎体内的结石，使之随尿液排出体外。但由于肾脏和输尿管的结构问题，许多粉碎后的结石不易排出，常常需要数周甚至三个月才能排干净，既增加了患者的心理负担或可能的痛苦， 也容易造成残石复发。为了加快排石过程，医生常常建议患者术后多喝水，并辅以跳动、拍打、跑步或者倒立等排石措施 [2]。虽然起到一定效果，但患者难于定量掌握，对体弱和年老患者而言，执行较困难。

在目前医院治疗肾结石患者的仪器中，未发现该类仪器的使用，患者接受碎石治疗后，如需体外排石则按医嘱在家中让家人帮忙用手拍打肾区，不仅不安全，还会影响治疗效果，延长治疗时间，更增加了家人的负担，浪费工作、休息时间 [3]。

1 工作原理

排石仪根据临床腰部物理治疗原理（定向体位引流），在人体表面产生特定方向周期变化的治疗力，该定向治疗力穿透力强，可穿透皮层、肌肉、组织和体液，其垂直方向分力产生的叩击、震颤可促使呼吸道粘膜表面结石和代谢物松弛、液化，水平方向分力产生的定向挤推、震颤帮助碎片化结石按照选择的方向（细支气管 - 支气管 - 气管）排出体外 [4]。

由于排石仪治疗力的深穿透性强，产生的定向治疗力可穿透皮层、肌肉、组织和体液，对于深度的痰液排出效果明显， 在叩击、震颤和定向挤推工作间隔期间，作用力变化较为缓和，患者舒适感增强，尤其是耐受力较差的患者 [5]。

排石仪工作原理如图 1 所示。

图 1 排石仪工作原理图

排石仪的治疗由直流电机带动传动软轴实现。电机旋转过程中产生水平方向的水平力和垂直方向的垂直力，水平力与垂直力合为合力。在合力的作用下，治疗头作用于患者身体表面，产生定向推挤治疗力，这种治疗力会将患者体内的结石顺着其方向排出体外。

2 技术指标

排石仪系统具体性能指标如下 ：

(1) 正常工作条件

①环境温度 ：0 ～ 40 ℃；

②电源 ：AC 220 V ；

③输入功率 ：150 VA。

(2) 频率范围

10～60Hz（600～3600r/min），频率可调，步距为 1Hz。

(3) 定时时间

1 ～ 60 min 可调，步距为 1 min。

根据本次设计的任务书，主要实现的功能如下 ：

(1) 驱动 100W 直流电机，附加软轴达到振动效果 ；

(2) 搭建人机交互界面，使用液晶显示屏显示振动频率和定时时间，采用 1 个发光二极管显示排石仪运作状态 ；

(3) 使用蜂鸣器构成报警电路，工作异常和工作结束时蜂鸣器报警 ；

(4) 触摸屏设置 5个按键，分别为工作启动按键、频率增加按键、频率减小按键、定时时间增加按键、定时时间减小按键 ；

(5) 根据要求输出不同占空比的 PWM波控制 MOS管， 从而控制电机转速 ；

(6) 采用光码盘测量转速，采用 PID 算法实现系统闭环， 达到预期振动频率 ；

(7) 系统工作稳定。

3 系统方案设计

3.1 系统方案选择

方案一 ：使用 FPGA 作为排石仪系统的主控芯片，其具有如下优点 ：

FPGA运行速度快，其内部集成了锁相环，在高速场合优势明显 ；

FPGA管脚多，具有丰富的 I/O资源，容易实现大规模系统 ；

FPGA内部程序并行运行，工作效率高。

方案二 ：使用 DSP 作为排石仪的主控芯片。DSP 芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的 DSP 指令，可用来快速实现各种数字信号处理算法。

方案三 ：使用单片机作为排石仪的主控芯片。单片机作为使用最普及的微控制器，具有成本低、外设资源多和学习资料丰富等特点。

排石仪系统规模较小，仅需控制系统工作时间与 PWM波占空比，通过捕获电平变化的方式测量电机转速，采用数码管和按键显示控制系统状态，并加入简单的 PID 算法。本文设计无需使用速度较快、运行效率高的 FPGA，也无需使用具备硬件乘法器、提供数字信号处理指令的 DSP，单片机即可满足需求。单片机的定时器可满足定时和输出 PWM 的需求，外部中断可满足捕获电平的需求，普通 I/O 口即可控制数码管及实现按键扫描。因此，本文设计选用单片机作为主控芯片。

3.2 系统总体设计

基于单片机的多频振动排石仪控制系统主要由四个模块构成，分别为人机交互模块（包括触摸屏控制与液晶屏显示），无线传输模块，输出控制模块，转速检测模块和直流电机模块。人机交互模块用于显示工作状态，输出控制模块用于控制电机转速，转速检测模块用于测量电机的实时速度，直流电机模块用于产生振动。仪器的硬件框图如图 2 所示。

图 2 硬件框图

单片机用以控制电机驱动、触摸屏、液晶显示屏、蜂鸣器和速度检测模块。

本次设计需要用到如下四路电源 ：

第一路为直流电机驱动电源，因需要满足较高的振动频率，所以选用的电机功率相对较大，本文系统将 220V 电压整流得到直流驱动电压 ；

第二路为 MOS栅极驱动电源，选用 12V电压 ；

第三路为数码管与光电对管的电源，电压为 5V；

最后一路电源为 3.3V，为单片机和蜂鸣器供电。

方案的软件功能图如图 3 所示。

由系统总体设计方案与硬件设计可知，本文系统需要用到液晶屏显示系统的振动频率与定时时间 ；需要用触摸屏控制的五个按键来调整振动频率、定时时间与系统状态 ；需要对系统进行 0 ～ 60 min 的定时 ；需要实时检测直流电动机的转动速度 ；需要使用 PID 增量式算法对电机转速加以控制， 使其达到期望值 ；需要使用蜂鸣器对系统状态报警。

排石仪系统涉及的程序包括触摸屏控制、速度检测、液晶屏显示、治疗时间设置（定时器服务子程序）和速度控制（PWM 输出定时器服务子程序）。为了使程序便于阅读且条理清晰，在设计过程中将主程序结构中的子程序写入各 .c 文件中，以便在主程序里加以调用。

3.3 方案主要器件选型

3.3.1 单片机的选型

设计中需要用到的 I/O 口包括液晶屏控制（8 个），无线传输模块（8 个），蜂鸣器报警（1 个），LED 状态显示（1 个），测速（1 个）和 PWM 波输出（1 个）。另外需要定时器中断，外部中断等资源。根据这种情况，设计选用 64 引脚的STM32F103RCT6。STM32 系列单片机基于 ARM Cortex-M 内核，具有性能高、成本低和功耗低等特点 [6]。这款芯片在电子行业应用广泛，且学习资源丰富，可快速上手。

3.3.2 直流电机的选型

根据治疗力的大小，本文设计确定所用电机转速应小于 4 000 r/min。由于在电源方案中，直流电机供电电压由 220V 交流电压整流而来，所以直流电机额定电压不应过小（大于100V）。另外，根据其供电电流的限制，电机的额定电流不应过大（小于 3A）。根据上述要求，本文设计确定所用电机型号为 70ZYT60。该永磁直流电机的额定电压为 110V，额定电流为 1.3A，额定功率为 100W，最高转速为 3600r/min。

4 结语

完成硬件搭建与程序下载后， 液晶屏可正常显示10 ～ 60 Hz 的振动频率 ；排石仪系统可实现 1 ～ 60 min 的定时时间控制 ；可通过触摸屏按键控制系统振动频率加减， 步距为 1 Hz ；可通过触摸屏按键控制系统定时时间，步距为

1 min ；可通过触摸屏上的开关按钮控制系统的启动和停止 ；可通过测速模块检测转速并通过 PID调节速度，使其振动频 率稳定 ；可及时报警 ；可通过蓝牙模块实现无线数据的收发。