CN109350223A - 一种基于dsp+cpld架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器，属于外科手术机器人技术领域。控制器顶层采用DSP28335作为主控制单元，负责控制整个治疗的流程，CPLD作为辅助控制单元，负责扩展DSP的IO接口，同时其内部逻辑可以产生脉冲宽度、脉冲频率和脉冲个数均可调的驱动脉冲。底层包括模拟信号输出、模拟信号输入、数字信号输入和数字信号输出接口电路，所有电路均采用电气隔离。光电耦合器件两侧使用不同电源供电，数字电路和模拟电路供电电源之间通过电感抑制噪声串扰。具备以上模块的控制器满足了被控对象对于多种输入输出信号的需求，并且具有很强的抗干扰能力。

Description

一种基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器

技术领域

本发明属于外科手术机器人技术领域，具体涉及一种基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪的控制器。

背景技术

高压电脉冲肿瘤治疗仪一种新型癌症治疗仪器，高压电脉冲消融也称“纳米刀”，通过向病灶区域释放高压电脉冲诱导细胞发生不可逆电穿孔凋亡而实现肿瘤的灭活处理，其具有热损伤小，治疗周期短的优势，成为治愈癌症的重大希望之一。目前研究中使用的高压电脉冲肿瘤治疗仪通常采用电容组作为储能设备，IGBT作为脉冲发生单元的高压开关，同时可能会引入继电器等其他隔离开关。治疗过程中，治疗仪状态以及电流电压也需要反馈给控制器。

高压电脉冲治疗仪工作过程中要求多种控制信号，又要满足脉冲能量可控，即脉冲宽度，脉冲频率和脉冲幅值可控。同时，治疗仪的状态和电流电压等信息也需反馈到控制。基于以上要求，控制器需要具备多种信号输入和输出功能，包括数字电平信号，数字脉冲信号，模拟信号，其中数字脉冲信号应具有脉冲个数，脉冲频率和脉冲宽度可控的特点。

控制器是高压脉冲治疗仪重要组成部分，控制器结构和功能上应满足以下要求：①稳定性：控制器需稳定发送高压脉冲肿瘤治疗仪需要的控制信号，决不能出现脉冲驱动信号脉宽超限，脉冲个数增多，隔离开关失控等情况；②安全性：具有良好的故障处理功能，一旦治疗仪出现故障，立刻封锁脉冲输出；③抗干扰性：抑制治疗仪高频噪声进入控制器；④准确性：准确的控制治疗仪高压幅值并准确接收治疗仪反馈的电流电压值。

现有的一些高压脉冲治疗仪控制方案中，完全使用硬件电路实现控制过程，使用555定时器作为核心器件，通过调整外围电路中的电阻电容值实现脉宽和频率调节。但是，阻值和容值的不连续性势必影响调节的范围，结果只能得到几个离散的固定的输出脉宽和频率。

中国专利CN107809222A提供了一种产生脉冲信号的方法。使用LM555定时器构成一个固定频率单次脉冲发生电路或者重频脉冲发生电路，电路的输出端接到CD4098芯片的输入端，在CD4098芯片的外围电路中设有可变电阻，通过调节该可变电阻，可调节脉冲信号的脉宽。脉宽问题解决了，但脉冲个数无法限定。

高压电脉冲治疗应该具备良好的故障处理功能，设备工作过程中应该时刻监控并反馈高压开关的工作状态，以及电路的电流电压信息。紧急的故障处理功能要求控制器具备相应反馈信号的预留接口。

中国专利CN102882493B提供了一种脉冲发生器的控制方案，其使用FPGA模块作为脉冲发生的控制器，但控制器单向向脉冲发生器发送控制序列，却没有接收反馈。一旦脉冲发生器发生故障，系统可能立刻失控。

中国专利CN202548609提供了一种控制器整体架构方案和模拟输出以及模拟检测方案，其通过使用ARM作为控制台架构，通过外部数模转化芯片(DAC)控制模拟量输出，通过外部模数转化芯片(ADC)转化反馈的模拟量，这种方案在高压强干扰环境中极不稳定，ADC和DAC非常容易出现故障导致系统停止工作。

高压电脉冲治疗的治疗环境决定了控制器将工作在一个具有极大噪声干扰环境中，一些现有方案中直接将控制部分和高压电脉冲发生部分融合在一起的方案也不利于设备的稳定工作。将控制器独立单独作为一个模块，能够极大地减小高压环境中辐射的噪声。对于控制信号和反馈信号的通路，引入电气隔离模块能减小通过线路传输的噪声。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种能够稳定运行的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器。

高压电脉冲消融是一种肿瘤消融新技术。在电脉冲消融装置的研究中，通常采用电容作为储能装置，通过输出电压可调高压电源对电容充电；采用IGBT作为高压开关；各个电路模块间通过高压继电器隔离，这样的系统设计要求控制器同时具备数字信号的模拟信号输入输出接口，同时要具有非常高的抗干扰特性。针对这种手术装置发明了高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

控制器顶层采用DSP+CPLD架构，DSP作为主要逻辑控制单元，其数据总线和IO输出作为控制器数字信号输出电路和模拟信号输出电路信号源，控制器模拟信号输入也接入DSP的ADC模块实现模数转化；CPLD作为扩展单元和辅助逻辑控制单元，其内部逻辑一方面将DSP数据总线扩展为三组，另一方面接收DSP的触发信号后，产生脉冲宽度、脉冲频率和脉冲个数三者可调的驱动脉冲的相关逻辑，控制器的数字信号输入模块接收的反馈也在CPLD中完成判断和处理。

控制器工作时通过SCI通信协议，通过增加隔离的RS-232接口或者RS-485接口和上位机进行通信，DSP和CPLD之间通过异步总线接口进行通信。

所述数字信号输出电路包括信号发生部分，信号处理部分和信号输出部分。信号发生部分又分为两类，一类直接由DSP数据总线和IO端口产生，经过CPLD的IO扩展接入信号处理部分；一类由DSP发出使能信号，由CPLD内部逻辑产生，再接入信号处理部分；信号处理部分包括电平转化和功率放大，处理后的信号接入信号输出部分；信号输出部分使用单模光纤端子，产生一路光信号输出。数字信号输出电路提供高压脉冲治疗仪中继电器和IGBT器件的原始驱动信号，并具有较高的抗干扰能力。

所述模拟信号输出电路包括信号发生部分，信号处理部分和信号输出部分。输出的模拟信号由DSP的EPWM模块提供，经过CPLD后接到信号处理部分；信号处理部分包括滤波，电气隔离和功率放大，滤波电路将信号发生部分提供的PWM波整流成平稳信号，电气隔离防止高频噪声的串扰，功率放大提高后级电信号的传输能力和带载能力。信号处理部分的输出直接接到模拟信号输出接口输出。模拟信号输出电路用于高压脉冲肿瘤治疗仪充电过程控制。

所述数字信号输入部分包括信号输入部分和信号处理部分。信号输入部分包括电信号输入和光信号输入。光信号信号输入部分接收单模光信号，输入光信号经过光纤端子转化为电信号后接入到信号处理部分，信号处理部分包括功率放大和电平转化；电信号输入部分接收标准电压输入，信号处理部分包括功率放大和电气隔离。信号处理部分的输入接到CPLD中，由CPLD中的逻辑进行进一步判断和处理。数字信号输入部分主要是为高压脉冲肿瘤治疗仪故障反馈提供通路。

所述模拟信号输入电路包括信号输入部分，信号处理部分。信号输入部分接收一定范围的模拟电压输入。信号处理部分包括电平转化和电气隔离，最后接入DSP的ADC模块，电平转化将输入模拟电压幅值调理到ADC模块的工作电压范围内，电气隔离可以有效减小高压侧干扰进入控制器并提高电压反馈的准确性。

本发明的优点和积极效果：

本发明结构较为简单，考虑到了高压脉冲肿瘤治疗仪的各种控制需求和状态反馈，并在设计中通过多种手段抑制高压环境中噪声对控制器的影响。

附图说明

附图1控制器结构框图；

附图2 Buffer电平转化电路；

附图3串口通信电路；

附图4数字光信号输出电路；

附图5数字光信号输入电路；

附图6模拟信号输入电路；

附图7数字电信号输入电路；

附图8模拟信号输出电路；

附图9数字电信号输出电路。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图和实施例对本专利做进一步说明。

参见附图1，本发明根据高压脉冲治疗仪的结构特点设计了控制器整体架构以及各个控制模块和反馈模块，主要包括模拟信号输出电路-用于控制高压电源输出电压和电流；模拟信号输入电路-用于接收电流电压反馈；数字信号输出电路用于控制继电器和IGBT动作；数字信号输入电路-用于接收IGBT错误反馈。

附图3所示电路为DSP的RS-232接口电路，DSP28335的IO使能为串口通信模式，PCTXD接串口输出引脚，PCRXD接串口输入引脚。输出信号经过CPLD和Buffer电平转换芯片将3.3V的DSP输出电平转化为5V电平。Buffer电平转换芯片输出经过基于6N137的电气隔离电路和功率放大电路输出给MAX232芯片。MAX232将DSP输出电平转化为RS-232标准串口电平后输出给RS-232接口。串口输入信号首先通过MAX232将标准RS-232电平转化为5V电平，再通过功率放大电路和基于6N137的电气隔离电路输出给Buffer电平转化芯片。经过Buffer电平转化芯片和CPLD输入到DSP。Buffer电平转化电路参见附图2。

本发明中，通信部分实现了RS-232接口和RS-485接口，使用SCI通信协议和上位机通信。DSP28335的IO使能为串口通信模式，输出信号通过CPLD和Buffer电平转化芯片将3.3V电平转化为5V，并使用6N137实现电气隔离。隔离后的信号，通过MAX232转化为标准的RS-232电平或者通过SN75176转化为标准的RS485电平，两种通信接口之间通过跳线帽选择。预留的两种接口丰富了上位机端的多样性，增强了控制器的通用性。RS-232和RS-485接口采用两线通信，通过SCI协议收发数据，在高压强干扰环境下稳定性和准确性远高于USB等通信方式。

附图8所示电路为模拟信号输出电路，模拟信号输出通路依次为：DSP的PWM模块，CPLD，Buffer电平转化芯片、一阶有源低通滤波器，基于TIL300的电气隔离电路，运算放大电路。输入端Ipulse1连接DSP的EPWM复用引脚，R13，C12，C13构成无源低通滤波器，其中R13采用10K电阻，C12，C13分别采用0.1uf和1uf电容并联，截止频率为f＝1/2πRC＝16Hz。其输出端连接一个跟随器，使其与负载实现很好的隔离，构成了一个有源低通滤波器，PWM波经过低通滤波器后可以转化为较为平稳的电压信号。

滤波器输出端通连接电气隔离电路，光电隔离器件采用的是TIL300，其交流和直流信号耦合性好，传输增益稳定性好，宽带大于200KHZ，3500V峰值隔离电压，既满足传输速度又能很好抑制高频噪声。TIL300采用典型运放驱动和射级跟随输出，极大提高信号的稳定性和带载能力。电气隔离部分输出接同向比例放大电路，通过R18和R20电阻网络将前级电压转化为输出要求电压范围。

附图6所示电路为模拟信号输入电路，模拟信号输入通路依次为：运算放大电路，基于TIL300的电气隔离电路、DSP的ADC模块。外部反馈电压通过AnalogIn1接入。输入级.为同向比例放大电路，R5、R6、R7和R8构成的电阻网络决定输入输出关系，将反馈电压调整到DSP的ADC模块的工作电压范围内。运放输入级的输出接到电气隔离电路，隔离电路为以TIL300为核心，采用运放驱动，跟随器输出的典型电路形式。隔离电路的输出接到DSP的ADC模块。

模拟输出信号源采用DSP自带的PWM模块，模拟输入的模数转化采用DSP自带的ADC模块，相比采用外部模数转化芯片(ADC)和数模转化芯片(DAC)精度有所限制，但极大的提高的控制器的集成度。同时，高压强干扰环境下，使用DSP内部模块稳定性也远远超过外部ADC和DAC。

模拟信号输入电路和模拟信号输出电路均使用TIL300典型电路形式的电气隔离，模拟信号输入电路电气隔离输入侧和模拟信号输出电路电气隔离输出侧使用同一个5V和同一个12V电源供电，其中5V电源由12V电源通过LM7805三端稳压电路转化得到。模拟信号输入电路电气隔离输出侧和模拟信号输出电路电气隔离输入使用同一个5V电源供电。

数字信号输出电路分为两部分，一部分为电信号输出电路，一部分为光信号输出电路，满足被控设备对光信号和电信号的需求。输出信号由DSP的数据总线和IO引脚产生，其中DSP的数据总线采用异步总线通信方案与CPLD连接，在CPLD中扩展为多组控制信号后输出，DSP的IO信号一部分通过CPLD缓冲以后直接输出，另一部分作为CPLD中脉冲发生逻辑触发信号。

附图4所示为光信号输出电路，光信号输出通路依次为：DSP，CPLD，Buffert电平转化芯片，功率放大电路，光纤输出端子。CPLD的输出接到Buffer电平转换芯片，将3.3V电压转换为5V，增加驱动能力，提高了电压转换的效率。上拉电阻R4和反相器的引入增强了信号电流强度，提高带载能力。通过一级NPN型三极管开关电路驱动光纤端子，将电信号转化为光信号，电路逻辑为高电平有效。

附图9所示为电信号输出电路，电信号信号输出通路依次为：DSP，CPLD，Buffer电平转化电路，功率放大电路，基于PC847的电气隔离电路，功率放大电路；CPLD的输出接到Buffer电平转换芯片，实现3.3转5V，增加驱动，也提高电压转换效率，同时引入下拉电阻R21和反相器增强信号电流强度。通过PC847实现输入和输出的电气隔离，电路逻辑高电平有效。

数字信号输入模块分为光信号输入和电信号输入两部分。其中光信号输入电路参见附图5，光信号输入通路依次为：光纤端子输入端子，功率放大电路，Buffer电平转化芯片，CPLD。光信号输入模块预留光纤接收端子作为输入接口，被控设备的故障反馈信号可以通过光纤输入到控制器，实现被控设备和控制器之间的电气隔离；光纤接收端子接收光信号后转化为0-5V的电信号，通过两级反相器构成的功率放大电路输出给Buffer电平转换芯片。

电信号输入电路参见附图7，电信号输入通路依次为：功率放大电路，基于PC847的电气隔离电路，功率放大电路，Buffer电平转化芯片，CPLD。电信号输入模块的信号通过一级PC847实现输入与输出的电气隔离后输出给Buffer电平转换芯片。Buffer电平转化芯片将5V电压转化为3.3V后输出给CPLD，CPLD对输入信号进行逻辑判断后通过IO引脚通知DSP。

数字信号输入输出部分，同时设计了电信号通路和光信号通路。对于直接控制高压电路部分器件的信号，可以通过光纤发送段子转化为光信号后在控制器和高压电路间进行传输，杜绝了由于高压侧干扰而造成控制器端信号出现反转的情况。电信号输入输出通道预留给未接触高压的电路，入心电监护等装置，使用电信号传输可以较小器件体积，提高控制器集成度。数字信号输入输出通路中通过引入CPLD一方面扩展了控制接口的数量，另一方面CPLD逻辑通过硬件实现，具有稳定性强，反应速度块的优点，配合DSP使用，能提高控制器的可靠性。Buffer电平转化芯片能同时实现3.3V和5V的相互转化，对于输入和输出通道同时适用，并且具有极高的转化效率。功率放大电路的引入提高了信号的稳定性和抗噪能力，使得电路更适用于高压强干扰的环境下。

数字电信号输出电路电气隔离输入侧，数字电信号输入电路电气隔离输出侧和数字光信号电气隔离输入侧使用同一个5V电源供电。数字电信号输出电路电气隔离输出侧和数字电信号输入电路电气隔离输入侧和使用同一个5V和同一个12电源供电，其中5V电源由12V电源通过LM2596转化得到。

数字信号电路电气隔离输入侧5V电源的电源和地通过10uH电感接出形成模拟信号电路电气隔离输入侧的5V电源。数字信号电路电气隔离输出侧12V电源的电源和地通过10uH电感接出形成模拟信号电路电气隔离输出侧的12V电源。减少引入两个电源，简化了输入条件，同时抑制了数字电路和模拟电路间的串扰。

Claims (9)

1.一种基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器，其特征在：包括DSP+CPLD顶层模块、模拟信号输入模块、模拟信号输出模块、数字信号输入模块、数字信号输出模块，所述的控制器顶层使用DSP28335作为主要逻辑控制单元，使用CPLD扩展DSP总线和IO接口并作为辅助逻辑控制单元；DSP通过串口和上位机通信，并通过异步总线接口和CPLD通信；控制器底层实现多种信号输入输出接口电路，满足设备对多种控制信号和反馈信号的要求。

2.根据权利要求1所述的基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器，其特征在于包括DSP+CPLD顶层模块、模拟信号输入模块、模拟信号输出模块、数字信号输入模块、数字信号输出模块。

3.根据权利要求1所述的基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器，其特征在于：DSP使用SCI通信协议，通过增加隔离的RS232接口和上位机进行通信；DSP的数据总线、地址总线以及部分IO直接接到CPLD，在CPLD内部实现异步总线接口实现双方通信。

4.根据权利要求1所述的基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器，其特征在于：数字电平信号通过DSP数据总线产生，通过CPLD输出到数字电路输出模块的输入端；数字脉冲信号通过CPLD内部逻辑产生，通过DSP写总线设定脉冲宽度，脉冲周期和脉冲个数。

5.根据权利要求1所述的基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器，其特征在于：模拟信号输出通路依次为：DSP的PWM模块，CPLD，Buffer电平转化芯片、一阶有源低通滤波器，基于TIL300的电气隔离电路，运算放大电路；模拟信号输入通路依次为：运算放大电路，基于TIL300的电气隔离电路、DSP的ADC模块。

6.根据权利要求1所述的基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器，其特征在于：数字信号输入模块包括光信号输入通路和电信号输入通路；数字信号输出模块包括光信号输出通路和电信号输出通路。

7.根据权利要求5所述的基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器，其特征在于：光信号输入通路依次为：光纤端子输入端子，功率放大电路，Buffer电平转化芯片，CPLD；电信号输入通路依次为：功率放大电路，基于PC847的电气隔离电路，功率放大电路，Buffer电平转化芯片，CPLD。

8.根据权利要求5所述的基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器，其特征在于：电信号信号输出通路依次为：DSP，CPLD，Buffer电平转化电路，功率放大电路，基于PC847的电气隔离电路，功率放大电路；光信号输出通路依次为：DSP，CPLD，Buffert电平转化芯片，功率放大电路，光纤输出端子。

9.根据权利要求1所述的基于DSP+CPLD架构的高压电脉冲肿瘤治疗仪控制器，其特征在于：数字信号输入模块电气隔离输入侧和数字信号输出模块电气隔离输出侧使用同一个5V电源供电；数字信号输入模块电气隔离输出侧和数字信号输出模块电气隔离输入侧使用同一个5V电源供电；模拟信号输入模块电气隔离输入侧和模拟信号输出模块电气隔离输出侧使用同一个5V和12V电源供电且5V电源由12V电源产生；模拟信号输入模块电气隔离输出侧和模拟信号输出模块电气隔离输入侧使用同一个5V和12V电源供电且5V电源由12V电源产生；电气隔离同一侧的模拟电路供电电源和数字电路供电电源之间通过电感连接。