分析基于STM32的2μm高功率激光医疗仪控制器设计方案

2μm高功率激光医疗仪市场需求越来越大，而目人机交互模块前国内此类设备在控制上缺乏对系统安全和出光精准度的考虑。同时随着YY0505-2012医用电气电磁兼容标准于2014年的执行，设计符合YY0505-2012标准的医用设备已迫在眉睫。因此，本文采用模块化设计，设计了一种基于STM32的2μm光纤激光器医疗仪控制系统，将水冷单元的参数监控、电源模块的抗干扰设计、输出功率的校准等集成于一体。测试结果表明，系统可靠稳定，操作方便。

1系统功能和结构设计

按功能划分，医疗仪主要由2μm光纤激光器模块、精密水冷单元、STM32主控制器模块、人机交互模块等部分组成，结构如图1所示。控制器是医疗仪的大脑，负责整个设备的启停和正常运行。2μm光纤激光器经过光学系统准直聚焦，得到医用激光，在特定条件下，脚踏开关闭合发出相应功率的激光，由光纤传导到病灶部位。精密水冷单元的循环水流经激光腔，使激光器工作在合适温度，确保输出功率稳定，且水冷单元的启动总是先于激光器，防止激光器在高温高湿环境下结露而损坏。门控直接与激光器内部的interlock信号相连，同时主控器对其状态实时监测。此外光纤检测可对医用光纤进行规范化管理，防止因光纤老化影响治疗效果。

 

 

图1医疗仪总体结构图

设备以触摸屏为主要人机交互平台，实现的功能包括：汽化与凝血参数的同时设置；不同方案的保存和调用；能量、计时等治疗参数的统计显示；系统异常状态的报警提示；出光指示灯的亮度调节。

2系统硬件设计

2.1系统硬件结构

系统硬件以STM32F107VCT6为核心，硬件框图如图2所示。精密水冷单元的参数监控包括高低水位、水流量、水压力、水温的监测；以触摸屏为主的人机交互模块集成了出光指示灯、钥匙开关、急停、启动、脚踏、门控等外部硬件控制；配电模块集成了继电器驱动电路和电磁兼容设计。其中，水冷单元、光纤激光器、触摸屏和音效合成模块分别通过RS232与主控制器通信。

 

 

图2系统硬件框图

2.2配电模块电路设计

为实现高可靠性，配电模块电路采用冗余设计，每路继电器驱动电路控制两个固态继电器。以图3所示激光器的继电器驱动电路为例，U5、U6代表两个继电器，输出端分别串联到电源的零线和火线上，实现同开同断，避免某一个继电器发生故障时影响整个系统的工作。每路信号除通过I/O控制外，急停信号也对继电器可控，达到软件和硬件同时急停的目的。选用的急停按钮是常闭型，高电平有效，当急停触发时，Q3不导通，致9引脚电平拉低，再与I/O信号经过与门，输出也为低电平，致Q4不导通，继电器处于开路状态，电源断路。

另外，电路一方面在STOP和I/O信号接口处接入5V瞬态抑制管，以防止静电积累损坏器件；另一方面在Q4导通时D3点亮作为电路工作状态指示，当系统出现异常时方便故障排查。

 

 

图3继电器驱动电路

2.3配电模块电磁兼容设计

电磁兼容问题是影响医用电气设备安全有效的重要因素之一，不仅直接影响医用设备的安全使用，甚至会对患者以及医护人员的人身安全造成影响。国家食品药品监督管理局于2012年12月正式发布了新版标准YY0505-2012，并于2014年1月正式实施，该医疗仪配电模块结合此标准做了相关电磁兼容性（EMC）设计。实际工作环境下该系统电磁干扰主要来源于电源线上的高频干扰、接线端口的静电干扰、浪涌电流、可控硅通断时产生的干扰等。

首先考虑硬件选型，选用交流单相双节电源滤波器，不仅能抑制共模干扰，对快速瞬变脉冲群（EFT）实验也有很好的辅助效果。与传统电磁线圈继电器相比，固态继电器的寿命长，可靠性好，切换速度可达几毫秒至几微秒，没有触点燃弧和回跳，减少了电磁干扰和瞬态效应，但固态继电器导通时会产生较大热量，系统通过在继电器下方放置散热片来解决此问题。

配电模块的结构框图如图4，在电源的进线端串入滤波器，然后进入瞬态电压浪涌抑制模组（包含千瓦级TVS、压敏电阻、防雷管等），再接入继电器，最后在电源进入每个模块之前再分别串入滤波器。测试结果表明，该结构能够达到抑制电磁骚扰(EMI)和提高仪器的电磁抗扰度(EMS)的双重目的。

 

 

图4配电模块结构框图