??? 摘? 要： 介紹了一種采用PC機(jī)、單片機(jī),、線性光耦合電路組成的控制系統(tǒng)及運(yùn)用增量式PID技術(shù)控制大功率UHR-915型微波熱療機(jī)輸出功率的方法。結(jié)果表明,，在100～900W的范圍內(nèi)，可以將微波熱療機(jī)輸出功率的波動控制在±10%以內(nèi),，大大低于國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的≤±30%,。
關(guān)鍵詞： 微波? 熱療機(jī) ?PID控制
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采用熱療的方法治療腫瘤和癌癥，已越來越廣泛地受到專家和學(xué)者的重視,，臨床應(yīng)用也已經(jīng)收到很好的效果[1],。特別是近年來，大功率的射頻熱療機(jī),、超聲熱療機(jī)和微波熱療機(jī)相繼問世,，掀起了一個(gè)應(yīng)用熱療的高潮,。其中微波熱療機(jī)由于具有輻射能量的方向性好,、加熱面能量分布均勻、有效透熱深度深,、既可對腫瘤作局部熱療又可對患者作全身熱療等優(yōu)點(diǎn)而獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷,。但是，由于微波本身的特性,，使得穩(wěn)定地產(chǎn)生,、傳導(dǎo)和輸出大功率微波的技術(shù)和工藝相當(dāng)復(fù)雜。特別是負(fù)載(受熱體)和輻射器本身對微波的反射,，有可能引起微波磁控管振蕩條件改變而導(dǎo)致輸出功率的漂移甚至振蕩等不穩(wěn)定現(xiàn)象,。另一方面，由于大功率微波的強(qiáng)干擾,，導(dǎo)致控制,、測量系統(tǒng)與微波源的銜接十分困難。因此,，現(xiàn)有的相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)[2]在這方面制定得比較寬松,，它規(guī)定微波醫(yī)療設(shè)備的輸出功率波動應(yīng)≤±30%。但即便如此,，若沒有完善的控制電路和控制方法也是難以達(dá)到的,。作者將PC機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成測控系統(tǒng)，利用單片機(jī)及外圍的AD/DA器件作前端信號采集和控制輸出接口,，后臺的PC機(jī)作圖形數(shù)據(jù)處理以及PID計(jì)算,。為了減少微波源系統(tǒng)對單片機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的干擾,，二者之間用光電隔離，并為此設(shè)計(jì)了線性光耦合電路,。所有與微波源連接的通道都采用光電隔離,，取得了很好的效果。
1 工作原理
微波熱療機(jī)采用磁控管作微波振蕩管,，微波的頻率選定為915MHz,，當(dāng)磁控管的工作點(diǎn)設(shè)置合理、內(nèi)部振蕩穩(wěn)定時(shí),，微波可由諧振耦合器和同軸電纜耦合到專門設(shè)計(jì)的圓形輻射器輸出,。根據(jù)磁控管的工作原理[3]，微波輸出功率近似滿足：
式中,，Ia是磁控管內(nèi)由陰極到達(dá)陽極的電子流形成的陽極電流,，VH是加在磁控管陽極和陰極之間的高電壓，Ia·VH是磁控管的輸入功率,，η是轉(zhuǎn)換效率系數(shù),，可通過標(biāo)定確定，不同的機(jī)器略有差別,。一般在整個(gè)工作過程中,，VH可通過對高壓變壓器的輸入電壓采取穩(wěn)壓措施而基本維持不變，微波熱療機(jī)輸出功率波動主要由磁控管陽極電流的波動及熱漂移所引起,。因此,，要調(diào)節(jié)和控制輸出微波功率，只需調(diào)節(jié)與控制陽極電流Ia即可,。相關(guān)部分的電路原理圖見圖1,。磁場線圈L1繞在磁控管的外圍，磁場電源V磁通過達(dá)林頓管組成的電路給磁場線圈L1提供勵磁電流Im,，它將在磁控管內(nèi)部產(chǎn)生磁場,，此磁場強(qiáng)度B與勵磁電流Im成正比。為了使磁控管電路工作穩(wěn)定,，令陽極電流Ia流過也繞在磁控管外圍的線圈L2作為負(fù)反饋,。當(dāng)設(shè)計(jì)合理時(shí)，陽極電流Ia與磁場強(qiáng)度B有一種近似的反比關(guān)系,，因此Ia與Im近似成反比,。這樣，可通過調(diào)節(jié)和控制勵磁電流Im來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制陽極電流Ia,，從而達(dá)到調(diào)節(jié)和控制熱療機(jī)微波輸出功率的目的,。圖1下部的雙光耦器件TLP521-2與運(yùn)放LM358組成線性光耦合接口電路，正確設(shè)定R3、R4,、R5和R6,，可將單片機(jī)D/A通道輸出的模擬控制電壓V控線性地轉(zhuǎn)換成光電流I控，通過分流T1的基極電流來控制磁場電流Im,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對陽極電流Ia的控制,。合理設(shè)定R7的值，使剛通電時(shí)T2飽和導(dǎo)通,，Im最大,，Ia近似為0，熱療機(jī)輸出功率為零,。然后由操作者根據(jù)需要設(shè)定熱療機(jī)輸出相應(yīng)的微波功率,。與實(shí)際微波功率對應(yīng)的陽極電流Ia由R1采樣，取得Va=Ia·R1,，經(jīng)圖1上部的另一線性光耦合接口電路變換成與Va成正比的Vb提供給單片機(jī)的A/D接口電路,，以實(shí)現(xiàn)對微波功率的測量。
??? 計(jì)算機(jī),、單片機(jī)系統(tǒng)的電路原理圖見圖2,。PC機(jī)工作在WIN95/98操作系統(tǒng)下，系統(tǒng)軟件由Borland C++和FOXPRO for Windows混編而成,。單片機(jī)采用 MCS51 系列的 8032,，它通過串行通訊接口芯片MAX232與PC機(jī)的串口2相連。用于測量與輸出功率對應(yīng)的Vb的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用12位的AD574,，它之前的運(yùn)算放大器OP-07是為了將Vb變換成AD574所要求的0～10V輸入電壓,。將輸出數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換成模擬控制電壓V控的數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用8位的AD558,，它的輸出設(shè)定為0～10V,。調(diào)節(jié)R5和R6分壓電路的分壓比可以使V控的變化范圍滿足后面線性光耦合接口電路的需要。根據(jù)設(shè)計(jì),，實(shí)際工作時(shí),，UHR-915微波熱療機(jī)的輸出功率范圍為100～900W(國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定它不能超過900W)，這樣輸出功率測量的理論分辨率可達(dá)約0.2W,，輸出功率控制的理論分辨率可達(dá)約3.1W,。因此，即使考慮到實(shí)際過程中一些未定因素的影響,，也應(yīng)能滿足功率波動≤±10%控制精度要求,。實(shí)踐表明確實(shí)如此。工作時(shí),，首先由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)定熱療機(jī)的輸出加熱功率,，并將與此功率對應(yīng)的數(shù)字控制量V數(shù)控發(fā)送到單片機(jī)，由D/A通道輸出模擬控制電壓V控,，而與熱療機(jī)實(shí)際加熱功率對應(yīng)的Vb則由A/D通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字量Vp后測量,。根據(jù)測量結(jié)果,，由PC機(jī)執(zhí)行PID計(jì)算，再將修正后的數(shù)字控制量V數(shù)控由D/A通道輸出,，依此循環(huán)不斷,。
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2 增量式PID控制的實(shí)現(xiàn)
工作前，應(yīng)首先通過定標(biāo)實(shí)測V數(shù)控,、Vp,、P輸出的對應(yīng)關(guān)系。方法是在定標(biāo)程序中,，由鍵盤操作計(jì)算機(jī)從0依次增加輸出V數(shù)控 (二進(jìn)制整數(shù))到單片機(jī)系統(tǒng),，經(jīng)D/A通道轉(zhuǎn)換成V控，使得陽極電流Ia(亦即Vb)及輸出功率P輸出相應(yīng)增加,。Vb由A/D通道直接測量,，并轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制整數(shù)Vp傳送回計(jì)算機(jī)。熱療機(jī)的實(shí)際輸出功率則須經(jīng)衰減器衰減后耦合到功率計(jì)進(jìn)行測量,，所測數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫文件儲存到計(jì)算機(jī)硬盤,。當(dāng)熱療機(jī)實(shí)際工作時(shí)，操作者通過鍵盤設(shè)定輸出功率P設(shè)定,，PC機(jī)根據(jù)P設(shè)定在定標(biāo)數(shù)據(jù)庫文件中查出相應(yīng)的V數(shù)控(V設(shè)定)發(fā)送到單片機(jī)系統(tǒng),，經(jīng)D/A通道轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的V控，使熱療機(jī)啟動功率輸出,，單片機(jī)系統(tǒng)的A/D通道及時(shí)測量與熱療機(jī)的實(shí)際輸出功率對應(yīng)的Vb,，并將它轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制整數(shù)Vp后傳送回計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)Vp在定標(biāo)數(shù)據(jù)庫文件中查算出對應(yīng)的實(shí)際工作功率P輸出,，再查出與此實(shí)際功率對應(yīng)的V數(shù)控,。為了區(qū)別計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定功率主動送出的V數(shù)控和由實(shí)測得到的V數(shù)控，特將后者設(shè)定為V數(shù)測,。則輸出功率誤差ΔP=P輸出-P設(shè)定,，計(jì)算機(jī)輸出的控制電壓誤差ΔV數(shù)=V數(shù)測-V設(shè)定。這樣,，PC機(jī)每送出一個(gè)V數(shù)控,，都可通過測量獲得與V數(shù)測，因而可計(jì)算輸出功率誤差和控制電壓誤差,，為實(shí)現(xiàn)PID控制創(chuàng)造了條件,。為了獲得較好的控制效果，減少控制振蕩幅度,，消除發(fā)生飽和的危險(xiǎn),，特采用了增量式PID控制方式。設(shè)Kp為比例系數(shù)、Ki為積分系數(shù),、Kd為微分系數(shù),，則增量PID控制規(guī)律如式(2)、(3)所示[4][5]：
為了減小測量V數(shù)測的誤差,，除在硬件上采用濾波和采樣保持電路外,，在軟件上，每次測量V數(shù)測時(shí)均連續(xù)采樣10次,，采用數(shù)字濾波,，去掉2個(gè)最大值和2個(gè)最小值后，取中間6個(gè)測量數(shù)據(jù)的平均值作為V數(shù)測,。理論上,，V數(shù)測的采樣間隔越小，控制特性越好,。但在熱療機(jī)實(shí)際工作過程中,，整個(gè)系統(tǒng)還需執(zhí)行多路溫度測量和監(jiān)控以及各種狀態(tài)檢測等，使得測量V數(shù)測的間隔只能設(shè)定為0.2秒,。在采用增量式PID控制后,，陽極電流的波動幅度和漂移速率均受到限制，因此這樣的采樣周期能夠滿足控制要求,。但需要特別指出的是,，對于不同的熱療機(jī)，微波電路特性略有差異,，因此Kp,、Ki、Kd沒有統(tǒng)一的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn),。對于每一臺機(jī)器,，都需要反復(fù)地調(diào)節(jié)具體數(shù)值的大小，以便獲得令人滿意的控制效果,。在這里,，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對于縮短調(diào)試時(shí)間起著重要的作用。
微波熱療作為一門新興的治療腫瘤和癌癥的方法正方興未艾,，特別是將它與化療和放療的方法相結(jié)合，取得了極好的臨床效果,。經(jīng)測試,，本熱療機(jī)輸出微波功率的波動≤±10%，大大低于最新國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的≤±30%,。這表明本文介紹的電路和控制方法在控制大功率微波熱療機(jī)輸出功率穩(wěn)定性方面是有效的,。
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參考文獻(xiàn)
1 李鼎九，胡自省. 腫瘤熱療學(xué). 鄭州：河南醫(yī)科大學(xué)出版社，1995
2 全國醫(yī)用電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)：醫(yī)用電器設(shè)備 微波治療設(shè)備專用安全要求
(GB9706.6-92). 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,，1997
3 磁控管設(shè)計(jì)手冊.北京：電子管設(shè)計(jì)手冊編輯委員會. 國防工業(yè)出版社,，1979
4 李錫雄，陳婉兒,，鮑 鴻,，程良倫.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京：科學(xué)出版社，1999
5 何忠克,，李 偉.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社,，1998