电致生物效应高压脉冲源控制系统设计

近年来发达国家对具有软杀伤性的非致命武器(nonlethai weapons)表现出日益浓厚的兴趣，其中高压脉冲使生物失能效应研究是发展该类武器的重要课题。电致生物效应高压脉冲源是关键装置。为了研究不同脉冲参数对生物体的作用．要求脉冲的幅值、宽度和频率在一定范围内可调，因此高压脉冲源基于全固态刚管调制技术实现并由直流高压电源、串联IGBT调制开关和控制系统三部分组成。基于8051微控制器的高压脉冲源控制系统具有设计简单，电路可靠的优点。但其程序设计一般为前后台系统，实时性较差，从而使输出脉冲波形稳定性不能满足实验要求。本文基于嵌入式实时操作系统Small RTOS51进行程序设计，以及优化的采样信号滤波算法，使该高压脉冲源输出电压精度稳定达到0．1％。从而能可靠地用于生物效应实验。

1 硬件设计
    电致生物效应高压脉冲源要求产生500～5 000 V宽范围的脉冲高压输出，控制系统管理高压脉冲源所有组件的工作，是实现高可靠性的核心。控制系统的主要功能是：不断扫描键盘获取电源工作参数／命令，根据设置的参数和不断采样的负载电压值控制高压脉冲电压幅值，从而使电源以预定电压恒压输出；采样初级开关电源状态，用以实时计算电源输出功率，以保护实现对象；实时在点阵式彩色图形液晶屏上显示电源的工作状态。高压脉冲源原理如图1所示。

    控制系统的硬件主要由控制核心、脉宽调制模块、电压控制与采样模块、键盘和显示模块、掉电数据保存模块组成。控制系统结构框图如图2所示。

1．1 电压输出控制与采样模块
    当高压脉冲输出时，控制系统不断采样输出电压幅值，并与设定值进行比较，根据比较结果调整初级高压开关电源的输出。输出电压采样的准确性和初级高压开关电源输出控制精度是实现高压脉冲精确稳定输出的关键。基于MAX526和MAX197可实现12位分辨率的输出控制与采样。为了减少高压脉冲源初级开关电源引起的高频干扰对电压控制与采样电路的影响，除了对地线进行合理布线外，对MAX526，MAX197的数字电压源串联5 Ω电阻进行电源滤波。MAX526，MAX197外围电路如图3所示。

1．2 脉宽调制模块
    电致生物效应源需要频率1～500 Hz，脉宽1～200 μs连续可调PWM信号控制高压脉冲输出。实现该PWM信号可以利用8051单片机自带的计数器，但是考虑到程序设计基于Small RTOS51，和大多数嵌入式操作系统一样，Small RTOS51会频繁关闭所有中断以保护系统的关键代码执行，这会造成基于软件生成的PWM信号精度较低，因此，本设计采用8254级联方式实现该PWM信号。
    8254有3个独立的16位减法计数通道，使用单-5 V电源，最大计数频率10 MHz，使用级联方式可使计数器0、2使用同一个1 MHz外部晶振，计数器2工作方式3，计数值固定为20，以产生50 kHz方波，该方波信号作为计数器1时钟，计数器1计数值为频率值，产生1～500 Hz频率可调方波，计数器0工作在方式1，计数值为脉宽值，计数器1输出的1～500 Hz信号作为门控，实现1～500 Hz，1～200μs的连续输出。8254外围电路如图4所示。

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1．3 键盘、显示与数据掉电保存模块
    电致生物效应源的操作界面由1×5键盘和65536真彩色图形智能液晶显示器件组成。5个按键直接用单片机的IO口扫描获得键值。液晶器件内置了32位ARM处理器和RS232串口，这样可以与任何具有串口功能的MPU方便连接，适合产品的快速开发。
    掉电数据保存芯片除了保存用户参数外，也用于程序的中间变量存储。EEPROM芯片是常用的低成本掉电数据保存芯片，但其存取速度太慢，会占用MPU过多时间，降低RTOS的实时性，因而系统采用自带锂电池与电池管理功能的NVRAM芯片DS1220，其每次数据存取时间为50 μs。

2 软件设计
    Small RTOS51是专为51单片机开发的占先式嵌入式内核，提供消息队列、信号量、中断管理等基本服务，功能满足大多数工程项目应用。基于RTOS的程序设计可以保证电致生物效应高压脉冲源输出的稳定性。
2．1 程序架构设计
    电致生物效应高压脉冲源控制系统程序共分4个任务。优先级从高到低依次为：键盘处理任务、初级开关电源状态监测与显示任务、与液晶显示器件通信任务、系统运行与系统状态显示任务。任务与RTOS内核、中断关系如图5所示。

2．2 软件滤波算法
    以高频开关电源为初级能源的高压脉冲电源的输出采样信号将不可避免地出现各种高频随机干扰信号，即使以低通滤波电路进行处理后，该采样信号仍然存在许多毛刺，如图6所示。

    因此，必须采用软件滤波才能得到准确的采样信号。在高频随机干扰严重的情况下常用的是中位值滤波算法，但该算法的缺点是灵敏度较差。因此，本文提出了一种改进的中位值平均滤波算法。其基本原理是：每组采样N个数据，对N个数据排序后去除最大的两个值和最小的两个值，对剩余的(N-4)个值求平均，该平均值作为最终的采样结果。在本文中，N=10。按照该算法，对上图信号进行采样，采样值最大为4．01 V，最小为3．99 V，抖动极差±0．01 V，并以3次最小二乘法进行数值模拟，如图7所示。可见，该算法可有效滤出高频随机干扰信号，并具有较高的灵敏度。

3 结论
    大多数基于高频开关电源为初级能源的高压脉冲源输出精度及稳定性达不到生物效应实验要求。实现高精度和稳定性的核心在于控制系统的设计，抗干扰能力强且具备较高灵敏度的采样算法是解决问题的关键。本文基于RTOS进行程序设计，并提出了一种改进的采样信号滤波算法，与传统中位值滤波算法相比，使电源输出脉冲精度和系统的可靠性得到提高。实测表明在长时间连续工作时输出精度保持为0．1％，能可靠用于生物效应实验。