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硕士论文智能温控射频热凝器研制 摘要 经过大量的基础性研究和临床研究，智能温控射频热凝技术在疼痛等疾病方面治疗 的效果已经得到了实践的证实。本文详细论述了智能温控射频热凝器的研制过程，并对 其各部分的功能进行了详细的分析和说明。 首先，论文设计了智能温控射频热凝器的系统方案，对各部分的功能进行了划分， 把整个系统划分成面板控制模块、主控制模块、射频功率放大电路及电源电路。 其次，设计了面板控制模块。采用2 4 0 x 1 2 8 点阵的图形文字液晶显示模块 j m 2 4 0 1 2 8 g 实现图形数据显示，采用z l g 7 2 9 0 b 实现键盘扫描和l e d 管理的功能。 第三，设计了基于d d s 的4 6 0 k h z 0 一1 0 v 正弦信号的电路、射频信号的电压和 电流的精密测量电路、精密热电偶测温电路、u s b 接口电路和主控嵌入式系统。实现正 弦信号幅度自动调节、射频功率的测量、病灶毁损部位温度的测量和人体阻抗的计算等 功能。 第四，设计射频功率放大电路。该电路将0 1 0 v 、4 6 0 k h z 的正弦信号放大到o 1 5 0 v 输出，保证了热凝的效果。 第五，设计了系统的a c d c 电源电路。该电路提供了隔离的四路直流电源：+ 1 1 0 v 、 + 3 3 v 、1 5 v 、+ 1 0 v 、+ 5 v ；分别给射频功率放大电路、主控制电路和面板控制电路供 电。 第六，采用v c + + 设计了基于u s b 接口上位机控制软件，采用单片机c 语言设计 了射频热凝器的嵌入式系统软件，完成整机系统的联调。 最后，给出系统实验。根据实验结果分析可知，智能温控射频热凝器温度、功率等 参数测量准确，能根据系统设置输出适当幅度的射频信号使毁损部位的温度快速上升到 设置值，并能精确控制使其在很小的范围内波动。 关键词：射频功率放大电路，u s b 接口，嵌入式系统，d d s ，热电偶测温电路，电源 电路，软件设计，系统实验 硕士论文 智能温控射频热凝器研制 a b s t r a c t a f t e ral o to fo fb a s i cr e s e a r c ha n dc l i n i c a lr e s e a r c h ，t h ee f f e c to fi n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r e c o n t r o l l e dr a t i of r e q u e n c yt e c h n o l o g yi np a i na n do t h e rd i s e a s e sh a sb e e nc o n f i r m e db y p r a c t i c e t h i sp a p e rd e s c r i b e s t h e d e s i g n p r o c e s so fi n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e d r a t i o f r e q u e n c yd e v i c e ，a n da n a l y z e sa n dd e s c r i b e st h ef u n c t i o no fe a c hp a r ti nd e t a i l s f i r s t l y , t h ep a p e rd e s i g n e st h es y s t e ms o l u t i o no f a l li n t e l l i g e n tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e d r a d i of r e q u e n c yd e v i c e t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t op a n e lc o n t r o lm o d u l e ，m a i nc o n t r o l m o d u l e ，r fp o w e ra m p l i f i e ra n dp o w e rs u p p l yc i r c u i t s s e c o n d l y ap a n e lc o n t r o lm o d u l ei sd e s i g n e d ag r a p h i c s t e x tl c d m o d u l ej m 2 4 0 12 8 g w i t h2 4 0 12 8d o tm a t r i xi su s e df o rg r a p h i c s d a t ad i s p l a y ac h i pz l g 7 2 9 0 bi su s e df o r k e y b o a r ds c a n n i n ga n dl e dm a n a g e m e n t t h i r d l y , t h em a i nc o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e s as i n u s o i d a ls i g n a l g e n e r a t i o nc i r c u i tb a s e dd d sw i t h4 6 0 k h za n di f - d ：10 va m p l i t u d e a c c u r a t em e a s u r i n g c i r c u i t so fr fs i g n a l sv o l t a g ea n dc u r r e n t , ap r e c i s i o nm e a s u r ec i r c u i to ft h e r m o c o u p l e t e m p e r a t u r e ，u s bi n t e r f a c ec i r c u i ta n dam a i nc o n t r o le m b e d d e dc i r c u i t t h ea m p l i t u d eo f s i n u s o i d a ls i g n a lc a nb ea d j u s t e da u t o m a t i c a l l y , r fp o w e ra n dt h et e m p e r a t u r eo fl e s i o n sa n d d a m a g e dp a r t so fab o d yc a nb ep r e c i s e l ym e a s u r e d ，a n dt h ei m p e d a n c eo fab o d yi sd e r i v e d f o u r t h l y , r fp o w e ra m p l i f i e rc i r c u i ti sd e s i g n e d t h ec i r c u i ta m p l i f i e so - - d ：io va n d 4 6 0 k h zs i n u s o i d a ls i g n a lt o0 - - 士15 0 va m p l i t u d et oe n s u r et h ee f f e c t i v e n e s so ft h e r m a l c o a g u l a t i o n f i f t h l y , t h es y s t e m sa c d cp o w e rs u p p l yc i r c u i t si sd e s i g n e d t h ec i r c u i tp r o v i d e sf o u r i s o l a t e dd cp o w e rs u p p l y ：+ 1 1 0 v j + 3 3 v , + 1 5 v , + 1 0 va n d + 5 v ：a n ds u p p l yt h er fp o w e r a m p l i f i e rc i r c u i t r y , t h em a i nc o n t r o lc i r c u i ta n dt h ep a n e lc o n t r o lc i r c u i 仃) rr e s p e c t i v e l y s i x t h l y , p cc o n t r o ls o f t w a r eb a s e du s b i sp r o g r a m m e dw i t hv c h ，a n de m b e d d e d s y s t e ms o f t w a r eo fr a d i o f r e q u e n c yd e v i c ei sp r o g r a m m e dw i t hcl a n g u a g e t h ew h o l es y s t e m i si n t e g r a t e d f i n a l l y , t h es y s t e me x p e r i m e n ti sd o n e a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ei n t e l l i g e n t t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e dr a d i o f r e q u e n c yd e v i c ec a nm e a s u r et e m p e r a t u r e ，p o w e ra n do t h e r p a r a m e t e ra c c u r a t e l y r fs i g n a lc a nc o n t r o l l e di n t e l l i g e n t l ya c c o r d i n gt ot h es y s t e ms e t t i n g a n dt h et e m p e r a t u r eo fd a m a g e dp a r t sc a nr i s et ot h es e tv a l u eq u i c k l y t h et e m p e r a t u r ec a nb e m e a s u r e dp r e c i s e l ya n dt e m p e r a t u r ec o n t r o lp r e c i s i o n i sh i 曲 i i i a b s t r a c t硕士论文 k e y w o r d s ：r fp o w e ra m p l i f i e rc i r c u i t ，u s bi n t e r f a c e ，e m b e d d e ds y s t e m s ，d d s ， t h e r m o c o u p l et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tc i r c u i t ，p o w e rs u p p l yc i r c u i t s ，s o f t w a r ed e s i g n ， s y s t e mt e s t i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 磋因i 2 。p 年每月砰日 硕士论文智能温控射频热凝器研制 1 绪论 1 1 智能射频热凝器的概述 随着医学、生物、电子和微控制等技术的进步和之间的交叉发展，射频热凝技术在 医学方面的作用越来越得到人们的关注。传统的神经疼痛、肿瘤和癌症疾病的治疗需要 花费高额的药物和手术治疗费用，治疗过程较长，风险和复发性较高，患者需要忍受巨 大生理和心理痛苦。现在通过射频热凝技术，治疗过程变得相对简单，因其治愈率高、 花费少等优点，射频热凝治疗越来越受到广大病痛患者的欢迎【l 】。根据射频热凝技术治 疗疾病的机理研制的射频热凝设备已经在国内外大小许多医院得到了临床应用，并且得 到了广大病痛患者和主治医师的一致好评。 目前利用射频热凝技术可以治疗长期性疼痛、神经性疼痛、癌症、肿瘤、三叉神经 疼痛等疾病。 射频热凝器有两个电极，正极为长管针状，输出高频射频射电信号，负极为电源地， 治疗时，正极射频针插入人体病变部位，负极贴于人体皮肤表面，正负形成电流回路， 治疗时热凝器正极发出的高频率射电信号通过人体病变部位到达负极形成电流回路，使 靶点组织内离子运动摩擦生热，热凝毁损靶点区域组织、神经，高选择毁损痛觉神经纤 维传导支，阻断疼痛信号向上位神经传导，破坏疼痛传导通路，使之无法传入大脑，不 能产生疼痛感觉，从而达到控制疼痛的目的【l 】。 不同温度对生物组织的热效应是不同的，4 0 以下的温度对生物组织造成的可逆的 损伤：4 0 以上温度即可引起d n a 损伤和杀死细胞组织；1 0 0 以下的温度，生物组织 轻度干化；1 0 0 以上温度，细胞膜严重被破坏，组织水分以及血液蒸发，在表面形成 水汽妨碍电极紧密接触，葡萄糖成分变为粘性物质，阻抗升高，传导性能下降；温度大 于2 0 0 ，生物组织炭化1 2 j 。 使用射频热凝器进行神经疼痛治疗，通常将温度设置在5 0 9 5 之间，通过调节 射频输出功率的大小来控制作用温度，精确控制病变部位的毁损范围，使电极针周围组 织细胞被永久破坏而达到热凝固，在电极针周围生成一个边界清楚的近似球形状病变组 织高温凝固坏死区，达到治疗目的避免出现不必要的副损伤【3 1 。 1 2 智能射频热凝器的功能及应用前景 射频疗法被认为是副作用最小地一种治疗方法，目前在世界上大部分国家都在应 用，只是由于科技和经济发展水平的差异，热凝技术使用的水平有所不| 4 1 。 对于常规的治疗方法无法治愈的病人，射频热凝治疗法可能是让他们摆脱疼痛的非 i 绪论硕士论文 常有效的治疗手段，但是由于病人症状的不同，可供利用的证据水平的不足，以及对热 损伤神经所造成神经源性并发症的风险等方面依然存在着的不同争议，所以热凝治疗方 法仍然在一定程度上受限。 但射频热凝技术作为一项国际最先进的微创技术和世界最前沿的疼痛治疗方法，具 有微创、定性、定量、疗效确切、安全和并发症少等特点。通过射频电流使生物组织热 凝，在大量动物的试验及临床试验的基础上，确定关键的技术指标，如射频热凝功率、 射频热凝匹配阻抗等。在电路上采用先进的微电了抗干扰技术，使病灶温度的测量及恒 温控制稳定可靠，保证了病灶毁损范围的可控性。 由于射频热凝器对于治疗疼痛性疾病有相当好的疗效，许多靠传统治疗方法不能控 制的疼痛，常通过射频热凝技术得到了完善的解决，所以其在临床有广泛的应用前景。 目前市场上的射频热凝器多半欧美等国家生产的，导致其价格很高和设备更新维修困 难，国内许多中小医院无力承担高昂的设备费用，因此射频热凝器在国内的普及率还很 低，本文的目的在于研制出一种功能稳定的射频热凝器，使其能在临床医学发挥应有的 作用。 1 3 系统总体设计及主要功能介绍 系统硬件整体结构框图如图1 1 所示，主要功能模块及功能有： ( 1 ) 面板控制模块：主要由微控制器a t 8 9 c 5 2 、图形文字液晶模块j m 2 4 0 x 1 2 8 g 、 键盘扫描管理芯片z l g 7 2 9 0 、l e d 模式指示灯、薄膜键盘、串行通信接口等组成。面 板控制模块的功能有：完成数据的显示、键盘扫描及l e d 模式指示等功能，并与主控 制模块进行数据通信。 ( 2 ) 主控制模块：主要由微控制器a t 8 9 c 5 2 、刺激方波产生及幅度调节电路、d d s 正弦信号产生模块及其幅度放大与调节电路、射频输出信号电压与电流测量电路、热电 偶温度信号测量电路、a d 模数转换电路、蜂鸣器报警电路、继电器开关控制电路、u s b 接口电路、串行通信接口等组成。主控制模块的功能有：完成刺激方波、自动温控制和 恒功率三种模式的输出控制与调节，射频输出信号电压、电流的测量和功率的计算，毁 损病灶部位温度信号采集与计算，热凝器异常工作报警，与上位机p c 及与面板控制模 块的通信等功能。 ( 3 ) 射频功率放大器：根据射频治疗技术作用机理，本热凝器输出信号频率固定 设置为4 6 0 k h z ，热凝功率放大电路由串联谐振功率放大电路和并联谐振功率放大电路 组成，每级功率放大电路分别由大功率三级管及高压电容、电感和电阻组成。负责将 d d s 正弦信号电压、电流放大输出。 ( 4 ) 继电器切换电路：完成对输出模式的选择及控制。 ( 5 ) 隔离级：将射频功率放大器的输出与人体电气隔离，保障人体生命安全。 2 硕士论文智能温控射频热凝器研制 ( 6 ) 人体：射频热凝器通过正极射频针和负极地板与人体相连，在正负极之间产 生高频电流毁损人体疼痛或病变区，从面达到治疗的目的。 ( 7 ) 上位机控制部分：上位机可选择热凝器的控制方式( 面板控制方式或上位机 控制方式) 。选择上位机控制方式时，上位机可完成输出模式选择、参数设置、开始输 出和停止输出控制、测量参数的接收和显示、历史操作及数据的保存和查寻等功能。 图1 1 系统硬件整体结构框图 热凝器有三种工作模式：刺激方波模式、自动温控模式和恒功率模式，各种模式具 体参数如下： ( 1 ) 刺激方波模式 幅度0 1 0 v 可调，步进0 1 v ：频率1 - 9 0 h z ，步进1 h z , 脉宽固定为l m s 。 1 绪论 硕七论文 ( 2 ) 自动温控模式 温度设置范围为5 0 - - 一9 5 c ，步进5 c ；工作时间可设置成3 0 、6 0 、9 0 、1 2 0 、1 8 0 、 6 0 0 秒。 ( 3 ) 恒功率模式 功率设置范围0 - 5 0 w ，步进l w ；工作时间可设置成3 0 、6 0 、9 0 、1 2 0 、1 8 0 、6 0 0 秒。 1 4 本文的主要工作 射频热凝技术作为一项国际最先进的微创技术和世界最前沿的疼痛治疗方法，具有 微创、定性、定量、疗效确切、安全和并发症少等特点，可以治疗长期性疼痛、神经性 疼痛、癌症、肿瘤、三叉神经疼痛等疾病，许多靠传统治疗方法不能控制的疼痛，常通 过射频热凝技术得到了完善的解决。 本文的目的在于开发一套功能稳定的射频热凝器，使其能在神经疼痛等疾病的治疗 方面发挥较好的作用。在深入研究智能温控射频热凝器工作原理的基础上，完成了本套 射频热凝器的研制，达到预期的目的。主要工作包括： 1 、设计智能射频热凝器的系统方案，分析其系统功能。 2 、设计射频热凝器硬件电路，分配各模块功能。 3 、选择合格器件，设计电路原理，设计p c b 板，并进行模块功能初步调试。 4 、在各功能模式初步调试完成的基础上，进行硬件系统联调。 5 、完成上、下机各部分软件程序的设计与调试，完成相关控制算法的设计。 6 、完成生物组织的测试试验，分析了测试结果。 4 硕士论文智能温控射频热凝器研制 2 系统硬件设计 2 1 面板控制模块设计 面板控制模块结构框图如图2 1 所示，主要由微控制器a t 8 9 c 5 2 、固定频率振荡器 l t c 6 9 0 5 9 6 、硬件看门狗d s l 2 3 2 、键盘扫描管理芯片z l g 7 2 9 0 b 、6 x 3 矩阵分布的薄 膜键盘、液晶显示模块j m 2 4 0 1 2 8 g 等组成。面板控制模块通过串行数据通信总线与主 控制模块进行数据通信。 i 液品显示模块 串行通 1k 7 i j m 2 4 0 l2 8 g 信接口 r i 刊定频微控制器1 一1 键枯描管理芯片i1 6 x 3 矩阵分布 lh 卜- - _ 率振荡 a t 8 9 c 5 2 。i z l g 7 2 9 0 b。l 的薄膜键盘 器 i 硬什看 l e d 模式指示灯 i j 狗 图2 1 面板控制模块结构框图 2 1 1 微处理器a t 8 9 c 5 2 面板控制模块选用a t m e l 公司生产的低电压、高性能c m o s8 位单片机a t 8 9 c 5 2 作为微处理器，该器件片内含8 位中央处理器( c p u ) 、8 kb y t e s 的可反复擦写的f l a s h 只读程序存储器和2 5 6b y t e s 的随机存取存储器( r a m ) 。采用a t m e l 公司的高密度、 非易失性存储技术生产，与标准m c s 5 1 指令系统及8 0 5 2 产品引脚兼容。 单片机a t 8 9 c 5 2 选用d i p 4 0 封装，该器件提供3 2 个外部双向输入输出( i o ) 端 口，3 个1 6 位可编程定时计数器，一个6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口， 片内振荡器及时钟电路。同时，a t 8 9 c 5 2 可降至0 h z 的静态逻辑操作，并支持两种软 件可选的节电工作模式。空闲方式停止c p u 的工作，但允许r a m 、定时计数器、串行 通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存r a m 中的内容，但振荡器停止工作并禁止 其它所有部件工作直到下一个硬件复位。微控制器a t 8 9 c 5 2 端1 ：3 功能分配如表2 1 所示。 表2 1 微控制器a t 8 9 c 5 2 端口功能分配 端口号标号功能方向 p 0 0 p 0 7d b 0 d b 7r a 8 8 0 3 的8 位数据总线端 输出输入 p l o l c d _ r s tr a 8 8 0 3 复位信号端 输出 p 1 l b u s yr a 8 8 0 3 忙信号端输入 ，： p 1 4l c dr s r a 8 8 0 3 数据命令选择信号端 输出 2 系统硬件设计硕士论文 p 1 5 l c d c s ir a 8 8 0 3 片选择信号1 端输出 p 1 6z l gs c lz l g 7 2 9 0 b1 2 c 总线时钟信号端输出 p 1 7 z l g s d a z l g 7 2 9 0 b1 2 c 总线数据信号端 输出输入 p 2 7 l c d c s 2 r a 8 8 0 3 片选择信号2 端输出 p 3 0r x d 串口输入端 输入 p 3 1t x d串口输出端输出 p 3 2i n t or a 8 8 0 3 中断信号端输入 p 3 3m t lz l g 7 2 9 0 b 中断信号端输出 p 3 6w r r a 8 8 0 3 写信号端输出 p 3 7r dr a 8 8 0 3 读信号端输出 a l ea l e看门狗d s l 2 3 2 定时器清零信号端输出 2 1 2 固定频率荡器 经实践证明，由晶体或陶瓷谐振器时钟电路具有较高的准确度和稳定性，但它们容 易磨损，输出频率和相位特性会因物理振动及温度变化而产生误差。 凌特公司( l i n e a rt e c h n o l o g y ) 生产的固定频率振荡器是简单、可靠且坚固的 器件。这些器件无需修整组件，并在2 5 条件下拥有1 的最大频率误差和2 0 p p m c 的稳定性。出众的抖动性能、上升和下降时间以及占空比可提供一个极其“干净”的方波。 典型启动时间为1 0 0 微秒。 选用固定频率硅片振荡器l t c 6 9 0 5 i s 5 9 6 作为单片机a t 8 9 c 5 2 外部时钟输入电路， 该振荡器最大可产生9 6 m h z 的方波，并提供了一个使能引脚，旨在实现对输出的无干 扰控制，一个分频器引脚可对主时钟频率进行分频卜1 、2 、二4 ) 。考虑到单片机a t 8 9 c 5 2 最大工作时钟频率为3 3 m h z 和串口波特率设置为9 6 0 0 b a u d s ，如图2 2 所示，将硅片 振荡器l t c 6 9 0 5 i s 5 9 6 设置成4 分频输出固定频率2 4 m h z 的方波。 皇 4x 】1 co l r r i i l ； g n d 5 0 ed 上 一， 一t 1 2 0 4 3 l t c 6 9 0 5 - 9 6 ： j 图2 2 硅片振荡器l t c 6 9 0 5 9 6 电路连接图 2 1 3 硬件看门狗 看门狗电路是用来监视微控制器内部程序运行状态，在程序跑飞、死锁或硬件出现 6 硕士论文智能温控射频热凝器研制 故障时情况下，迫使微控制器自动复位而使程序重新开始运行。 单片机a t 8 9 c 5 2 芯片内部无“看门狗( w a t c h d o g ) 功能，为了监控程序正常运 行，选用微处理器监控芯片d s l 2 3 2 作为硬件看门狗电路，该芯片是美国d a l l a s 公司 生产的一个具有电源监测功能的看门狗芯片，在电源上电、断电、电压瞬态下降和死机 时都会输出一个至少2 5 0 m s 的复位脉冲信号。该芯片内含温度补偿电路，具有性能可靠、 使用简单、价格低廉的特点，用作微控制器的复位电路，能够很好的提高硬件的抗干扰 能力。 d s l 2 3 2 有电源电压监视、按键复位、看门狗定时器三种功能，当电源电压跌落至 电压监测值以下时产生r s t 信号，当电源恢复正常后，r s t 信号至少保持2 5 0 m s ，以 保证微处理器的正常复位；在d s l 2 3 2 看门狗定时器溢出之前，定时器清零( “喂狗”) 信号没有到来，d s l 2 3 2 的r s t 端将产生复位信号以强迫微处复位。d s l 2 3 2 提供了一 个电压监测值设置引脚t o l ，旨在实现对电源监测电压的设定( 4 7 5 v 、4 5 v ) ；一个看 门狗定时器设置引脚t d ，可对看门狗定时时间进行设置( 1 5 0 m s 、6 0 0 m s 、1 2 0 0 m s ) 。 d s l 2 3 2 电路连接图如图2 3 所示，由于单片机a t 8 9 c 5 2 是高电平信号复位，故 d s l 2 3 2 高电平复位输出引脚r s t 接至单片机的复位端；d s l 2 3 2 的定时器清零信号输 入端s t 接单片机的地址锁存信号输出端a l e ；将d s l 2 3 2 的电压监测值设置引脚t o l 接地，电压监测值设定为4 7 5 v ：看门狗定时器设置引脚t d 接电源v c c ，看门狗定时 器的设定为1 2 0 0 m s 。当电源电压跌落至4 7 5 v 以下或在d s l 2 3 2 看门狗定时器溢出之前， s t 端的定时器清零( “喂狗”) 信号没有到来，d s l 2 3 2 的r s t 端将产生复位信号以强迫 微处复位。 l 葛蜀而、r v l8 暇 2 r 鼢1 等 7 伽1 d 3 趼； 4 ，、价等阿n c 叩t ， u 1 、j _ ，j 、0 1 了f d s l 2 3 2 图2 3d s l 2 3 2 电路连接图 2 1 4 键盘扫描管理芯片z l g 7 2 9 0 b 热凝器提供两种控制方式，即面板控制方式和上位机p c 控制方式。在面板控制方 式下，通过薄膜键盘可以完成热凝器输出模式的选择和参数的设置，并可以控制工作的 开始和结束。根据系统功能需求，薄膜键盘共布置1 8 个按键，呈6 x 3 矩阵分布，即6 根行输入( 列输入) 信号信，3 根列输出( 行输出) 信号信；另外为了指示当前的工作 模式和工作状态，面板控制电路上共放置了5 只l e d 。 面板控制电路选用广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及 7 2 系统硬件设计硕士论文 键盘扫描管理芯片z l g 7 2 9 0 b ，该芯片能够直接驱动8 位共阴式数码管或6 4 只独立的 l e d ，同时还可以扫描管理多达6 4 只按键，z l g 7 2 9 0 b 读取按键有中断方式读取和查 询方式读取两种，为了节省微控制器的系统资源，采用中断读取方式，z l g 7 2 9 0 b 与微 控制器a t 8 9 c 5 2 采用1 2 c 总线方式进行通信，仅需两根信号线s d a 和s c l 即可完成所 有控制功能。 如图2 4 所示，z l g 7 2 9 0 b 与单片机a t 8 9 c 5 2 共有三根信号线相连，a t 8 9 c 5 2p 1 口的p 1 6 、p 1 7 分别模拟1 2 c 总线的时钟信号线及数据信号线，并与z l g 7 2 9 0 b 的s d a 引脚和s c l 引脚相连接。z l g 7 2 9 0 b 的i n t 引脚接单片机a t 8 9 c 5 2 的外部中断i n t 0 输入端，z l g 7 2 9 0 b 扫描到当前有薄膜键盘有按键被按下就将i n t 引脚拉低产生一个低 电平的中断请求信号通知微控制器读走当前键值，微控制器a t 8 9 c 5 2 进入外部中断0 ， 读取z l g 7 2 9 0 b 按键寄存器的键值后，i n t 引脚自动撤销变为高电平。 a t 8 9 c 5 2 z l g 7 2 9 0 b p 1 6s c l p 1 7 s d a i n t 0 i n t 图2 4 微控制器与z l g 7 2 9 0 b 的接线不意图 z l g 7 2 9 0 b 与薄膜键盘及l e d 指示灯的连接电路如图2 5 所示，z l g 7 2 9 0 b 的6 根 行扫描信号线和3 根列扫描信号线分别接至呈6 x 3 矩阵分布薄膜键盘的行列管脚， z l g 7 2 9 0 b 上电复位完成后，其行扫描信号线将分别输出不现频率和不同占空比的方波 信号，如果薄膜键盘某一按键被按下，与该按键对应的行和列将短接，则行扫描输出信 号输入到列扫描输入端，键盘扫描管理芯片z l g 7 2 9 0 b 通过判断哪个列扫描信号输入端 有信号及判断该信号的频率和占空比即可判断是哪只按键被按下；数据管段选信号线与 位选信号线分别接至发光二极管的正负极。因为z l g 7 2 9 0 b 的键盘行、列扫描信号线与 数码管段、位选择信号线分别共享一组管脚，为了避免按键扫描信号与发光二极管正负 级控制信号的串扰，键盘的行列扫描信号的管脚与发光二极管正负极控制信号的管脚均 不重复使用。 8 硕士论文智能温控射频热凝器研制 a 52 7 p 图2 5z l g 7 2 9 0 b 与薄膜键盘及l e d 指示灯的连接电路 2 1 5 液晶显示模块j m 2 4 0 1 2 8 g 在热凝器的两种控制方式下，液晶显示模块均需要显示当前的控制方式与输出模 9 2 系统硬件设计 硕士论文 式，并显示当前设置参数和测量的数据信息，完成为人机交互的信息显示功能。本系统 选用深圳俊显示电子有限公司生产的2 4 0 x 1 2 8 点阵的图形显文字显示模块j m 2 4 0 1 2 8 g 系列蓝底白字液晶显示模块，内置双图层( t w op a g e s ) d p 英文文字与绘图模式的点矩阵液 晶显示( l c d ) 控制器r a 8 8 0 3 ，内建有5 1 2 kb y t e 的1 6 x 1 6 中文显示字型r o m ( f o n tr o m ) 与8 x 1 6 的a s c i i 半型字型，可以显示中文字型、数字符号、英日欧文等字母。除了内 建的8 x 1 6 和1 6 x 1 6 的字号外，还提供字型放大的功能。模块不但可以显示文本、图， 而且可以实现双图层的( “或”、“异或”、“同或”、“与”四种逻辑关系) 合成显示和四阶 灰度的效果。文本模式下能够实现大小字体的混编( 最大字体为6 4 x 6 4 ) ，中英文自动 对齐，行距设定等功能。2 4 0 x 1 2 8 点尺寸的液晶显示屏( l c dp a n e l ) 最大能显示3 0y d 8 行的西文字母或1 5 列8 行的中文文字。使用者只要透过m p u 对r a 8 8 0 3 写入中英文 字型码，就可以直接在l c d 面板上显示中英文字型。 如图2 6 所示，j m 2 4 0 1 2 8 g 与单片机a t 8 9 c 5 2 采用并行数据总线进行数据传输， 控制信号线直接与单片机输入输出i o 口相连。 a t 8 9 c 5 2 刑2 4 0 1 2 8 g d b 0 卜 d b 0 d b 7 d b 7 p 1 4 lr s w r w r r d r d p 1 5c s l c s 2c s 2 p 1 or s t p 1 1 b u s y i n t li n t 图2 6 液晶显示模块与微控制器连接示意图 图2 7 是单片机与液晶显示模块接口电路，面板控制电路通过2 2 管脚的接插件与液 晶显示模块相连接，并可调l c d 偏压调节电路中的电位器v r l 调节液晶显示屏的亮度。 l c d 偏压调节电路中的负压产生芯片采用凌特公司生产一款的负压微功率d c d c 转换 器l t 3 4 8 3 ，该器件内部集成肖特基二极管和一个反馈电阻器，采用扁平( 高度仅l m m ) 的s o t - 2 3 ( t h i n s o t t u ) 封装。该器件的静态电流在无负载条件下仅为4 0 p a ，并可在停 机模式中进一步减小至0 1 a 。一个限流固定截止时间控制电路可保存工作电流，从而 在宽负载电流条件下实现了高效率。一个精确修整的1 0 t t a 反馈电流实现了一个电阻器 反馈，并且实际上免除了对输出进行反馈加载的需要。4 0 v 开关使得能够在未使用昂贵 变压器的情况下产生高达- - 3 8 v 的电压输出。l t 3 4 8 3 的3 0 0 n s 低截止时间允许采用纤巧、 扁平的电感器和电容器，以便在关注空间的便携式应用中实现占板面积和成本的最小 化。 硕士论文智能温控射频热凝器研制 j p l 2 2 主控制模块设计 j r 图2 7 单片机与液晶显示模块接口连接示意图 主控制模块结构框图如图2 8 所示，主要由微控制器a t 8 9 c 5 2 、固定频率振荡器 l t c 6 9 0 5 9 6 、硬件看门狗d s l 2 3 2 、刺激方波产生及幅度调节电路、d d s 正弦信号产生 模块及其幅度放大、调节电路、射频输出信号电压和电流测量电路、热电偶温度信号测 量电路、a d 模数转换电路、蜂鸣器报警电路、继电器开关控制电路、u s b 接口电路、 串行通信接口等组成。主控制模块通过串行数据通信总线、u s b 数据总线分别与面板控 制模块和上位机p c 数据通信。 图2 8 主控制模块结构框图 2 系统硬件设计硕士论文 2 2 1 微控制器a t 8 9 c 5 2 及其周边电路 同面板控制模块一样，微控制器、固定频率振荡器、硬件看门狗分别选用a t 8 9 c 5 2 、 l t c 6 9 0 5 9 6 、d s l 2 3 2 ，另外主控制电路增加了地址译码器7 4 h c l 3 8 ，对u s b 芯片 f t 2 4 5 b m 和模数转换芯片m a x l 9 7 分别进行地址选通，微控制器周边电路连接如图2 9 所示。 c sa d 1 5 ，、 圣a ：蔫乏 u 1刚、i r 饼nl p 1 0 0 2 ) p 0 0 3 8 3 9d b l 9 1 3 0 1 ； lt l 卜 i r _ i r _ 1 4 ，、 y zl ， s ak2 p p 1 7 i p 0 7 。 i 口 l ) 8 1 3 ： 1 2 二 y 3 c 慰3 1 i ，、 y 4 、f r ( s l4 1 0 二 9 ：羔 尝：5【) i ) s 醛汀5 c su s b7 ：登呈oi a 1 5 阱hr x 巾6 y 7 一e 3 ； 。 k j ! y ； i h c l 3 8a di n f8 u 3蜊 1 3 嘲p 3 3 0 r , m ) p 2 p 2 0 l ；翌馏2 3 l 4 谢1 2 i 一 1 帔0 u t 硪疆a y1 5 p 曼文聊爹警。毳垂；刁 i l l ； f e刖 5 脚上 1 4 一 一一；占 、一3 l 一t 一一 兹惹夕 7 涟 黑 一j 蓑烯 d 嚣r s r ，5 晒i 、帐2： 蚤i o 二 制模块微控制器及周边电路连接图 图器连接方式可知，模数转换芯片 选信 地址为选信号线地址为 制器功能分配如表2 2 所示。 2 微控制器功能分配 号 o据总线端输入 0n信号端输入 ll k信号端 22 信号端 3l 信号端 信号端 5 更新端 6 y双掷继电器控制端 硕士论文智能温控射频热凝器研制 p 1 7a dn 、j tm a x l 9 7 模数转换完成信号端输入 p 2 0a 8m a x l 9 7 低8 位或高4 位数据选择端输出 p 2 4 a 1 2译码器地址选择信号c 输入端输出 p 2 5a 1 3译码器地址选择信号b 输入端输出 p 2 6a 1 4译码器地址选择信号a 输入端输出 p 2 7a 1 5译码器工作允许端输出 p 3 0r x d串口输入端输入 p 3 lt x d串口输出端输出 p 3 2 t r x f u s b 芯片数据接收允许端输入 p 3 3 i n t t x f u s b 芯片数据发送允许端输入 p 3 4 c r e l a y u l n 2 0 0 3 四刀双掷继电器控制端输出 p 3 5 c b e l l u l ，n 2 0 0 3 蜂鸣器控制端输出 p 3 6w r写信号端输出 p 3 7r d读信号端输出 a l ea l e看门狗d s l 2 3 2 定时器清零信号端输出 2 2 2u s b 接口电路 射频热凝器控制箱与上位机p c 通过u s b 通用串行数据总线进行命令和数据的传 输。u s b 通用串行数据总线具有传输速度快、占用资源少及真正的即插即用等优点。本 系统u s b 器件选用f t 2 4 5 b m 芯片，该芯片由f t d i ( f u t u r et e c h n o l o g yd e v i c e si n t l l t d ) 公司推出，使用简单、性能卓越。 f t 2 4 5 b m 的主要功能是完成u s b 通用串行数据总线和微控制器a t 8 9 c 5 2 并行数 据i o 口之间的协议转换，芯片一方面通过u s b 通用串行数据总线从上位机p c 接u s b 数据，并将其转换成并行8 位数据的格式通过并行数据总线传送给微控制器a t 8 9 c 5 2 ； 另一方面芯片接收微控制器a t 8 9 c 5 2 通过8 位数据总线发过来的数据并转换为u s b 的 数据格式传送给上位机p c ，中间的转换工作全部由u s b 芯片f t 2 4 5 b m 自动完成，开 发者无须考虑固件的设计。 f t 2 4 5 b m 器件内部结构框图如图2 1 0 所示，主要由u s b 收发器、串行接口引擎 ( s i e ) 、u s b 协议引擎和先进先出( f i f o ) 控制器等构成。其中u s b 收发器提供与u s b 总线全速的u s b l 1 u s b 2 0 物理层接口，输入、输出信号线u s b d p 和u s b d m 负责 u s b 数据的接收和发送。f t 2 4 5 b m 内含两个f i f o 数据缓冲区，一个是1 2 8 字节的接 收缓冲区，另一个是3 8 4 字节的发送缓冲区，它们是与微控制器a t 8 9 c 5 2 并行f o 口数 据交换的缓冲区。 2 系统硬件设计硕士论文 图2 1 0f t 2 4 5 b m 内部结构框图 图2 1 1 是微控制器件a t 8 9 c 5 2 与u s b 芯片f t 2 4 5 b m 的连接示意图。微控制器 a t 8 9 c 5 2 主要通过8 位数据总线d 0 - - 一d 7 ，读写控制信号线r d 、w r 和片选地址信号 线与f t 2 4 5 b m 的发送、接收允许信号线t x e # 、r x f # 和读写控制信号线# r d 、# w r 相 连。 a t 8 9 c 5 2f t 2 4 5 b m d b 0 卜 d b 0 d b 7 d b 7 i n t 0 一 t x e # i n t l r x f # w r一# w r a 1 5个，l 广一 a 1 4- 7 4 l s l 3 8 疹ll 。 # r d a 1 3- a 1 2 r d 图2 1 l 单片机与f t 2 4 5 b m 硬件连接不意图 图2 1 2 是f t 2 4 5 b m 及其周边龟路连接图。u s b 器件f t 2 4 5 b m 采种自我供电模式 ( u s bs e l fp o w e r e d ) ，即热凝器控制箱供电，同时采用上电复位方式，采用外部无源 6 m h z 晶体振荡器作为时钟电路。译码电路的片选输出信号分别微控制器的读信号r d 和写信号w r 相或后连接至f t 2 4 5 b m 的读、写信号端。图中u 5 为e e p r o m ，可以选 择不焊，则f t 2 4 5 b m 将使用默认的v i d 、p i d