（检测技术与自动化装置专业论文）智能高频手术电刀研制.pdf

摘要 摘要 近几年来，高频手术电刀是大中型医院手术过程中备受欢迎的一种医疗设 备。高频手术电刀在手术的创面上不但患者流溢出的血液少，而且手术面干净， 清晰。对医务人员的视觉影响小，有利于手术操作的准确性和快捷性，提高了手 术的成功率。高频手术电刀凭借其出色的特点已得到越来越多科研工作者的重 视。 本文阐述了高频手术电刀的工作原理，针对市场需求设计了一款以多微控制 器为控制核心的高频手术电刀，主控制器，反馈控制器，高频信号源控制器组成 的控制系统，保证电刀安全稳定的工作；其次采用成熟的p w m 开关电源技术， 取代可控硅控制功率的方法，以及采用专用高频脉冲产生集成电路使功率输出更 加稳定；在医用高频电刀自适应切割部分分析了电流负载的变化关系，设计了电 流的采样电路，采用p i d 调节的方法来控制电流稳定，使医用高频电刀的输出功 率在一定的范围内随等效工作阻抗线性变化，同时在这一部分讨论分析了标准 p i d 算式的抗干扰算法和加快动态响应速度的算法；最后鉴于电刀的高频特性， 讨论了高频电刀整个系统的抗干扰问题。 经过本文的研究，成功解决了负极板处组织烧伤、输出功率输出的精密控制 等问题，并实现了医用高频电刀的整机系统优化，提高了医用高频电刀的技术水 平。 关键字：高频手术电刀集肤效应高频信号发生器p i d 控制 a b s t r a c t a 。b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，e l e c t r o s u r g i c a lg e n e r a t o ri sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a r d u r i n gt h es u r g e r y i n l a r g ea n dm e d i u m - s i z e dh o s p i t a l s t h e w o u n dm a d eb y e l e c t r o s u r g i c a lg e n e r a t o ri nt h es u r g e r yi s c l e a ra n dm a k e sl e s sb l o o d a l s o ，i th a s s l i g h ti n f l u e n c eo nt h ev i s i o no fm e d i c a ls t a f f t h e r e f o r e ，i ti m p r o v e st h e s u c c e s sr a t e a sw e l la sa c c u r a c ya n ds p e e do ft h es u r g e r y w i t hi t so u t s t a n d i n gf e a t u r e s ， e l e c t r o s u r g i c a lg e n e r a t o rh a sa t t r a c t e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o ni nr e s e a r c hw o r k s t h i sp a p e re x p o u n d st h ep r i n c i p a lo fe l e c t r o s u r g i c a lg e n e r a t o r , a n dd e s c r i b e st h e d e s i g n i n go fe l e c t r o s u r g i c a lg e n e r a t o rw i t h m u l t i c o r em i c r o c o n t r o l l e rw h i c hm e e t s t h ed e m a n do fm a r k e t t h ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so fm a i nc o n t r o l l e r , f e e d b a c k c o n t r o l l e ra n dh i g h f r e q u e n c ys i g n a ls o u r c ec o n t r o l l e r , t h i ss t r u c t u r ec a ne n s u r et h e e l e c t r o s u r g i c a lg e n e r a t o rw o r ks a f e l ya n ds t a b l y ；t h e nw eu s ep w m s w i t c h i n gp o w e r w h i c hi sm a t u r ei n s t e a do fs c rp o w e rc o n t r o lm e t h o d ，a n du s ed e d i c a t e di n t e g r a t e d c i r c u i t sh i g h f r e q u e n c yp u l s eg e n e r a t o rt om a k em o r es t a b l eo u t p u tp o w e r ；t h i sp a p e r g i v e sa n a l y s i so nt h er e l a t i o n s h i po ft h e c u r r e n ta n dt h ee q u i v a l e n ti m p e d a n c ei nt h e m o n o p o l ec u r r e n ts e l f - a d a p tc o n t r o l l i n gm o d u l e ，d e s i g n st h es a m p l i n gc i r c u i t a n d u s e sp i da d j u s t i n gm e t h o dt ok e e pt h ec u r r e n ts t e a d y , t h e nt h eo u t p u tp o w e ro f e l e c t r o s u r g i c a lg e n e r a t o rv a r i e sl i n e a r l yw i t he q u i v a l e n ti m p e d a n c ei n c e r t a i ne x t e n t ， m e a n w h i l e ，w ea n a l y z et h ea n t i - j a m m i n ga l g o r k h mo f p i da n da l g o r i t h mt o a c c e l e r a t ed y n a m i cr e s p o n s e f i n a l l y , i nv i e wo ft h eh i g h f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r o s u r g i c a lg e n e r a t o r , t h ep a p e rd i s c u s s e st h ea n t i - i n t e r f e r e n c ep r o b l e mo ft h e w h o l es y s t e m t h r o u g ht h es t u d yo fe l e c t r o s u r g i c a lg e n e r a t o r , t h ep r o b l e m ss u c ha sd a m a g i n g t h es k i nu n d e rt h ed i s p e r s i v ep l a t ea n db u r n i n gt h et i s s u eo ft h ei n c i s i o nw e r es o l v e d s u c c e s s f u l l y , t h ew h o l es y s t e mo fe l e c t r o s u r g i c a lg e n e r a t o rw a so p t i m i z e d ，a n di t s t e c h n i c a ll e v e lw a sg r e a t l yi m p r o v e d k e yw o r d s ：e l e c t r o s u r g i c a lg e n e r a t o r , g a t h e r s k i ne f f e c t ，h i g h - f r e q u e n c ys i g n a l g e n e r a t o r , p i dc o n t r o l i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 i 地办 作者签名： h r 月1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源、研究目的及意义 本课题是进行智能型医用多功能高频电刀的技术开发等方面的研究工作。 在传统的外科手术中，手术刀和止血钳是人们非常熟悉的医疗工具。随着现 代医疗技术水平的不断提高和高频电刀技术的进一步完善，智能型医用多功能高 频电刀已经逐渐取代了手术刀、止血钳和其它一些医疗器械，成为现代外科手术 中常用的医疗设备。高频电刀是在高频段内工作最常见的高能量医疗仪器，它是 利用电弧放电，通过高频高压电流与肌体接触时所产生的热效应来实现对肌体组 织的分离或凝固，从而达到切割和止血的效果l l - j 。 高频电刀自1 9 2 0 年应用于临床至今，已有7 0 多年的历史了。其经历了火花 塞放电一大功率电子管一大功率晶体管一大功率m o s 管四代的更变。 随着计算机技术的普及、应用、发展，目前，高性能的单片机广泛应用在高 频电刀的整机控制，实施了对各种功能下功率波形、电压、电流的自动调节，各 种安全指标的检测，以及程序化控制和故障的检测及指示。因而大大提高了设备 本身的安全性和可靠性，简化了医生的操作过程。 目前国内用户使用的高频电刀有国外的产品也有国内的产品。国外产品一般 性能上相对好一些，尤其是美国、德国、意大利和韩国的产品，但这些电刀价格 昂贵，一般上万美元，而国内的产品，一些主要的性能指标与国外相差不大，但 在一些关键的技术上，特别是在一些安全检测以及控制环节上与国外产品相比， 有较大的差距。如果有效的解决医用高频电刀中的安全检测和功率控制问题，将 很大程度的提高国内高频电刀的总体技术水平，凭借相对高的技术水平和较低的 市场价格，将有效的增强高频电刀在国际市场的竞争力。同时，完善的安全检测 技术和精确的功率控制技术，可以有效的保证手术中病人和医生的人身安全，同 时也可以保证手术质量和提高手术速度。鉴于高频电刀在手术医疗上越来越重要 的作用，对它的学术关注程度越来越高，如图1 1 所示。本课题所涉及的测量和 控制方法还将对提高我国的临床医学及医疗设备水平起到重大的推动作用。因 此，本课题的研究，无论是对提高我国的医疗器械水平还是对提高我国电刀在国 际市场的竞争力都有着重要的意义。 第一章绪论 罕， ；气奎度( 1 j1 9 ；军、。：0 0 ：军) b 、 一 之 乏- _ 一一， r 笨i i哺i i1 1町1 1p 蜡i 舯2。o 2 ii 2 i f 22i 2i 2 1i 幅2* 图i i 高频电刀学术关注度走势图 1 2 医用高频电刀的功能分析 高频电刀主要由高频电刀主机以及电刀手柄、负极板、双极镊子等附件组成。 通常的高频电刀都具有单极电切、单极电凝以及双极电凝的功能。 由于低频电流可以产生明显的电击和电刺激作用，因此选择电刀的工作频率 具有重要的意义。要求所选频率不能引起电击，同时还要具有较小的电刺激，一 般以为频率应高于3 0 0 k h z ，有关资料表明，当交流电频率在5 0 0 k h z 左右时电 流对人体的电刺激己经很小，当交流电频率大于1 m h z 时，电流对人体的电刺激 会完全消失，这时高频电流对人体只会产生热效应【3 ，4 1 。由于涉及高频辐射以及 国家标准的限制等问题，现在高频电刀的工作频率一般在0 4 m h z - 3 m h z 之间， 本课题所设计的电刀的工作频率为5 0 0 k h z 左右。 单极电切时，高频电刀的两个输出端分别与电刀头和负极板相连，高频电流 通过电刀头、人体手术部位肌体、人体皮肤、负极板构成一个完整的回路，工作 示意图如图1 2 所示。单极输出的高频电流为等幅正弦波或方波，输出电压为 2 0 0 0 - 4 0 0 0 v ，输出功率1 0 - - 4 0 0 瓦。单极电切中刀头与肌体组织的接触面积很小， 切割处的电流密度可达1 04 - 1 08 a c m2 ，产生的高热使肌体组织瞬间汽化，随着 电刀的移动，接近刀头的组织细胞不断汽化，实现了切割的目的。单极电切又可 分为纯切和混切：纯切时，刀口最为锋利，切割的阻力最小，切口平整，组织损 伤小，有利于愈合；混切时，切割的同时对毛细血管和小血管进行封闭，它简化 了止血过程，提高了手术的速度，是手术中使用最多的工作方式i s , 6 1 。 单极电凝的电流回路与单极电切相同，所不同的是，输出为经过调制的正弦 波或方波，调制波的频率一般在2 0 k h z 左右，单极电凝的输出电压为3 0 0 0 - 9 0 0 0 伏，最大功率为5 0 1 5 0 瓦。电凝使组织细胞脱水凝固，从而实现止血的目的。 单极电凝又可分为点凝和面凝，点凝时将电刀头按住出血点，与组织充分接触， 适合于对单个出血点进行止血；面凝时将电刀头靠近出血部位，不与组织接触， 靠电刀头和创口之间的放电来达到止血的目的，适合于大面积弥漫性渗血进行止 2 第一章绪论 血。 运；煎基垂垂壹塑鱼煎直鱼 图1 2 高频电刀工作图 双极电凝中高频电刀的两个输出端都是作用电极，高频电流在双极镊子及人 体组织间构成回路，这时不需要负极板，双极电凝的作用是使镊子之间的血管脱 水而凝固，达到止血的目的。双极电凝的输出是频率为3 0 0 k h z l m h z 的等幅正 弦波或方波，其电压为3 0 0 1 3 0 0 伏，最大输出功率为7 0 瓦。双极电凝的作用范 围只限于镊子两端之间，对肌体组织的损伤程度和影响范围远比单极电凝要小， 适用于小血管的止血，广泛应用于脑外科、眼科、五官科、妇产科和手外科等较 为精细的手术中。双极电凝的安全性正在逐渐被人们认识，其使用范围也在逐 渐扩大【5 j 。 从工作原理可以看出，高频电刀与其他手术设备相比有以下优点： 1 卫生 手术时，电刀刀头与手术伤口之间形成高温区，对伤口具有杀菌的效果。 2 凝血快且效果好 采用普通的手术器械，切割和止血是两个过程，而利用电刀手术时，切割的 同时还具有凝血的作用，可以避免手术中的大量失血，特别是避免大面积弥漫性 渗血，如果借助惰性气体，如氢气，甚至能实现肝脏、脾脏等富血器官手术中的 良好止血效果。 3 愈合效果好 因为电刀切割的组织损伤层较小，所以电刀切割创口术后很容易愈合。 4 对人体器官的影响小 由于电流的集肤效应，电流在流经人体时主要并不通过人体的内部器官，同 时高频电流对人体的电刺激非常小，因而不会对人体器官造成损坏。 5 功能多 一台高频电刀带有多个附件，并可以根据需要更换刀头，可以实现手术中的 多种功能，减少了医疗器械的重复投资，也减少了手术中的医务人员，提高了效 第一章绪论 率和效益。 6 使用范围广 目前，不仅在直视手术，如普通外科、脑外科、眼外科、五官科和口腔科手 术中，而且在各种内窥镜手术，如腹腔镜、胃镜等手术中都使用了高频电刀来进 行切割和止血。 1 3 当前国产医用高频电刀期待解决的关键性问题 当前国内高频电刀的基本技术己经非常成熟，但在一些关键问题上，特别是 在一些安全检测以及控制环节上，国内的高频电刀都还处于试验阶段。当前国内 电刀的基本现状是内部结构模块化不够明确，没有有效的检测电路，输出控制不 够稳定【7 j 。 具体归结一下，当前国内的高频电刀存在下面一些有待解决的问题： 1 负极板的安全检侧 手术过程中负极板能否与患者机体有效接触，直接关系到电刀操作过程中是 否安全，因为电刀手术中负极板处灼伤或其他监护设备( 如心电监视仪) 的监测电 极处灼伤大都是由于手术中负极板没有与患者肌体充分接触造成的，更有甚者， 负极板的接触不良能危及患者的生命安全【引。通常的大型手术中病人处于全身麻 醉状况，无法感知到皮肤的发热和烧伤，医务人员一般只有在灼伤很严重时才能 发现，这就使意外伤害的危害性进一步增大，甚至有时只有手术后才发现己经出 现了灼伤情况。因此，在手术的过程中及时地检测负极板的接触状况对避免出现 灼伤等意外事故是极为必要的，但当前国内的电刀产品却缺少这一保证病人安全 的检测环节，有时会造成一些意外的事故。 2 双极凝血中的止血控制 利用高频电刀实施手术时，一般用双极电凝镊子对小血管凝固止血。在使用 国产电刀时，医务人员时常发现，有时候，由于功率过小或时间不足，松开镊子 时没有达n t 预期的止血效果；还有的时候，由于凝血的功率过大或凝血时间过 长，血管创口过分凝固，造成烧焦的组织粘在镊子的端头上，松开镊子时会撕开 了凝固的血管创口。上述两种情况都会延长手术时间和降低工作效率，同时也对 病人造成了不必要的伤害，当前国内的电刀一般都缺少双极镊子的输出检测和输 出能量的时间控制。 3 功率控制精度问题 在实际应用中，输出功率的精确是保证手术顺利进行的根本，在手术中诸如 切口不均匀、切割速度不稳定、伤口深度烧伤、凝血效果差、人体组织纤维碎片 粘刀头等问题的原因都是由于没有控制好输出功率。当前国内电刀在功率控制上 第一章绪论 的主要问题有：控制功率输出的硬件条件不够完善，不具备细化功率输出的 条件：控制功率输出的软件算法不够精密，没有充分发挥电刀功放部分的硬 件功能；没有形成闭环控制回路，输出时只能开环输出，在电网变化、工作 环境变化、器件老化以及人体组织变化的情况下不能自动调整输出功率。 1 4 课题的主要工作及章节安排 本课题是在原医用高频电刀功放电路模块的基础上设计了整个电刀系统，重 新设计了医用高频电刀的主控制系统和人机接口界面系统，增加了有效的检测系 统，改交了以前电刀都是开环输出的局面，同时改进了功率控制的方法，提高了 高频电刀的整体技术水平及整体性能。 本论文在第二章中阐述了高频手术电刀的工作原理，分析了集肤效应在高频 电刀中的应用；在第三章中分析了高频电刀的整体系统结构，介绍了控制系统、 人机接口界面系统和整体控制软件的设计过程；在第四章中主要介绍了用于控制 输出功率的高频脉冲信号的发生和开关电源模块；在第五章中详细介绍了利用 p i d 控制方法实现的单极电刀的自适应切割控制系统；在第六章中主要介绍了在 高频电刀的整机调试和参数整定过程中遇到的问题以及解决方法；在第七章介绍 了高频手术电刀抗干扰问题：最后在结论与展望中，总结了新型医用高频电刀的 一些优点，并提出了在本课题中没有来得及解决的一些闯题。 第二章高频电刀工作原理 第二章高频电刀工作原理 2 1 高频电刀工作原理 高频电刀设计是基于电磁场原理的“集肤效应”。我们知道当变化的电流在导 体中流动时，它周围的磁场也随着变化，这变化的磁场也要在导体中产生电流。 因而影响导体中电流的分布，使电流趋向导体表面。因此越靠近导体表面电流密 度越大。这种现象叫做“集肤效应”。 集肤效应最早在贺拉斯兰姆1 8 8 3 年的一份论文中提及，只限于球壳状的导 体。1 8 8 5 年，奥利弗赫维赛德将其推广到任何形状的导体。集肤效应使得导体 的电阻随着交流电的频率增加而增加，并导致导线传输电流时效率减低，耗费金 属资源。在无线电频率的设计、微波线路和电力传输系统方面都要考虑到集肤效 应的影响【9 1 。 现在来分析圆导线的集肤效应，用它来模拟人体组织，作为求解麦克斯韦方 程组的一个例子。设有一条直而长的圆导线，半径为a ，其中通有电流 f o ) = 厶s i n ，从而导线中的e 和b 也都是正弦时间函数。采用如图2 1 所示的 柱面坐标系，由于对称关系，电场强度e 和电流密度6 只有z 轴分量，而磁感应 强度b 只有坐标的分量。现将它们写成复数形式而取其虚部： e = t = , g m 既ze x p ( j c o t ) ( 2 1 ) 万= 皖= 1 9 聊6 m , e x p ( j c o t ) ( 2 2 ) b = 忍= t 艿州e x p ( j c o t ) ( 2 3 ) 式中g m t 和毛：是幅值，方向沿z 轴；也是幅值，方向沿o 的方向。 由全电流定律的积分式得： 壹= 之= 粼= 刍怒 ， 蠢= 苏= 量i r a 2 鬻= 磊i m 怒 ( 2 5 ) 色= k = 磅描= 铬榴 亿6 ， 6 第二章高频电刀工作原理 图2 1 柱面坐标系 由( 2 5 ) 式电流密度可写为： 堕：一i o ( 、j s r ) ：堕鲤2 丝堂尘 ( 2 7 ) 一= _ = = 一= i 二， 吾，。( s 口) 嘲( s 口) + j b e t t ( s a ) 、7 式中瓦= ，z c a 2 是均匀分布时的电流密度，图2 2 表示在两个不同频率下电 流密度沿横截面半径的分布曲线，一个频率是5 0 0 0 h z ，另一个是8 0 0 0 0 h z 。导 线横截面半径q = l m m 。从图2 2 可看出电流密度在导线中心处最小，随趋近表 面而增加。当$ 1 1 很小时，电流密度以占：作均匀分布；当频率很高时，中 石口 心处几乎无电流。这意味着有效横截面积减少，电阻增大。故在高频时，常采用 中空导线。比较式( 2 。5 ) 和式( 2 6 ) 可见b m 的分布拟6m 的分布，故磁通和电流一 样，也有集肤效应【l 例。 一 设沿一段长为l 的载流导线求e 的线积分，可得该段的电压为： i ，e 历d ，。 这段电压从电路计算来看应为r l + j o a l , 厶。l i 表示该段导线的内电感，r 表示电 阻。用导线近表面的电场强度e r a ( a ) ， 可得尺r 1 + i lk a j 4 2 广】 1 - 1 二 厶r o 【二1 【i a ) 2 c o p y 可见电阻和电感都与频率有关。 二 综上所述，可知高频电刀的原理主要是电流在人体这段“导体”的表面流动， 而不是流经人体内脏组织，因而这种高频电流不会对脏器造成伤害，而且患者自 己基本上没有明显不适感，但在负电极的加入点上要选择柔软的皮肤表面，并且 要有足够的表面积，使得单位流入电流最小，避免因局部电流过大而使患者烧伤 或有烧灼感。 由高频电刀产生的高频电流，通过人体组织时的每一振荡的时间极短，离子 7 第二章高频电刀工作原理 很难引起迁移，仅仅是在富有粘滞性的体液中振动，产生热能。高频电刀就是利 用高频电流通过肌体的一种效应，使刀头下的组织在大电流密度下，瞬间所产生 的大量热能，使刀头下组织快速脱水分解蒸发，分裂成一不出血的、窄而平坦的、 有一定深度的切口，切断的细血管同时被凝固。高频电刀能减少术中出血，节约 手术时间，对切口具有杀菌作用，减少感染机会等很多方面具有明显的优越性。 但是，由于高频电刀是大功率、高频、高压直接作用于人体的电子设备，存在着 安全使用问题。尽管进口高频电刀在安全保障系统方面较为完善、可靠，临床上 仍有灼伤现象发生，须引起手术室护士和手术医师的高度重视。 l 3 o 。 2 j j 卢5 0 0 d 娶z z | 、 r 。j 0 。5 f n 珏n 图2 2电流密度分布豳线 第三章控制系统 第三章控制系统弗二早埕币u 糸z 艽 电刀的整体系统结构框图如图3 1 所示。在该电刀系统中包含了控制系统模 块，功放模块，检测模块，人机接口模块，串口通信模块。其中串口通信模块， 可以非常方便的跟计算机通讯，这样可以便于传送大量的系统检测数据和控制数 据。在本章中将主要介绍主控制系统和人机界面接口的设计，有关功放系统的具 体内容将在后面的章节中详细介绍。图3 2 为电刀整体布局图，其中j 1 、j 2 、 j 4 、j 5 、j 6 、j 7 、j 8 、j 9 、j l o 、j 1 1 、j 1 2 、j 1 3 分别为连接处。 图3 1 电刀整体系统框图 大功率信号 控制检测信号 3 1 控制系统硬件构成 控制系统是整个高频电刀系统的核心，它控制其他所有模块的正常运行并协 调各个模块相互配合完成各项工作。在控制系统的设计中，充分考虑了显示、功 放、检测及串口通信等模块在控制及信息传输方面的要求，尽量做到各方面的协 同考虑。在控制系统中，充分发挥了系统软硬件的各项资源，加强了整个电刀系 统的控制功能和检测功能，使电刀在整体的技术水平上前进了一步。 该控制系统由3 片微控制器组成，如图3 3 所示，其中两片分别为主控制器 u 5 ，反馈控制器u 1 1 ，u 9 和u l l 都是8 0 c 5 5 2 ，并且带有1 0 位a d 。在u 5 与u 1 l 之间用双口r a m 进行通信。u 5 负责整机系统的控制，包括人机交互，系统自检， 9 一 第三章控制系统 图3 2 电刀整体布局图 记忆控制与存储，以及串口通讯。u 9 负责电刀输出的实时反馈控制，检测系统 工作的数据。另外一片单片机u 9 作用相当于特殊功能的集成电路，专门负责高 频脉冲信号源的产生，为射频输出提供脉冲驱动。如图3 3 所示。 1 0 第三章控制系统 图3 3 控制系统 u 5 在工作的时候，p s d 8 3 5 3 ) 为其提供程序储存功能。当电刀工作时，u l l 从u 5 接受命令，控制继电器的适当关闭和激活r f 输出。并且通过控制高压直 流源和i 疆时钟电路，不断调整电刀的信号输出。p s d s 3 5 ( u 6 ) 为u 1 1 提供程序存 储功能。图3 4 为8 0 c 5 5 2 与p s d 8 3 5 硬件连接的原理图。 u 9 是8 9 c 5 4 单片机，专门为射频板中的功率放大器产生输入信号( to n ) ， 相当于一个特定的应用集成电路，图3 5 为单片机8 9 c 5 4 工作原理图。u 9 受反 馈控制器u l l 控制，当u 1 l 收到有效的激活请求，并且确认后，u 1 1 释放u 9 的复位信号，并且向u 9 发送4 位2 进制码，代表发生器的工作模式，每一种模 式相对应一种特定频率的波形。u 9 根据这4 位2 进制码，查表得出不同的工作 模式，再调用不同功能的程序，产生不同输出信号t o nm i c r o 再经过与门产 生更标准的高频脉冲to n 。如表3 1 所示。 t o ne n 信号控制晶振和单片机8 9 c 5 4 的复位信号r s t ，以及来控制 8 9 c 5 4 工作状态。当8 9 c 5 4 工作开始后，根据p l 口接受到的工作状态编码，来 判定不同的工作模式，以及为标准来确定高频信号的输出t p n 。 第三章控制系统 编码 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 图3 4 单片机8 0 c 5 5 2 与p s d 8 3 5 硬件连接原理图 表3 1 编码模式 模式编码 精确电极 1 0 0 0 标准电极 1 0 0 1 低电压切割 1 0 1 0 混切 1 0 1 1 接触式凝血 1 1 0 0 l c f 电凝 1 1 0 1 喷射式电凝 1 1 1 0 暂无 1 1 1 1 1 2 模式 强力电凝 暂无 暂无 暂无 暂无 暂无 暂无 暂无 第三章控制系统 i 图3 5 单片机8 9 c 5 4 工作原理图 8 0 c 5 5 2 微控制器是由p h i l i p s 公司采用高密度c m o s 工艺制造而成8 位机， 主要特点结构如下： 1 内核为8 0 c 5 1 中央处理器，使用m c s 5 1 指令系统； 除两个标准的定时计数器外，新增一个1 6 位定时计数器，可与4 个捕捉寄 存器及3 个比较寄存器配合使用，工作于捕捉方式，应用中完成频率接收机环路 捕获时间及捕获概率自动测试功能；片内8 路模拟输入的1 0 位a d 转换器；两 路8 位分辨率的脉冲宽度调制输出( p w m ) ；片内包含五个8 位i o 端口和一个 与模拟输入公用的输入端口； 2 两个串行口：全双工u a r t 接口( s 1 0 0 ) 和总线( s 1 0 1 ) ； 3 一个1 5 源、两级优先级别的可嵌套中断结构： 4 特有5 6 个专用寄存器，主要用于控制片内的涉外硬件，以及用于算术运算、 堆栈指针和数据指针等功能【l 。 单片机8 9 c 5 4 采用高性能的静态8 0 c 5 1 核设计，以c m o st 艺制造，采用 静态设计，功耗低，操作频率范围宽。另外片内自带1 6 k 字节的闪存只读存储 器，2 5 6 b y t e sr a m ，3 2 条可编程i o 线，无需接口和存储空间的外扩展，极大地 满足了本系统软硬件设计的需求1 1 2 i 。 p s d 8 3 5 在系统可编程控制器外围芯片是将f l a s h 存储技术融入p s d 片内， 同时又具有可编程逻辑，使系统具有在系统可编程特性的芯片。它的主要组成有： 1 m b i t 的主闪速存储器，次e 2 p r o m 或闪速存储器，超过3 0 0 0 门的闪速可编程 逻辑，s r a m ，可配置的i o 端口以及可编程的电源管理。它的片内集成了优化 第三章控制系统 的“微控制器宏单元”逻辑结构，可满足嵌入式系统设计的独特要求。由于允许在 系统地址数据总线和内部p s d 寄存器之间的直接相连，大大简化了m c u 和其 他支持器件之间的通信。同时，采用的闪存存储器分块设计解决了设计人员在管 理分立的闪速存储器件时遇到的大部分问题。例如，首次编程时遇到的问题、地 址译码的复杂性问题以及如何实现对闪速存储器同时读和写的问题。为了简化闪 速存储器的更新，p s d 8 3 5 能完成来自次e 2 p r o m 或闪速存储器程序的执行，避 免了实现在系统内进行闪速存储器更新所需的复杂电路和软件。 由于p s d 系列芯片结构的完善性和灵活性，在单片机应用系统中引用p s d 器件，使系统在运行速度、稳定性、可靠性等多方面都比传统的使用单片机外围 散件的设计方法有很大的提高，这应该而且已经成为单片机应用系统的一个发展 方向。p s d 系列芯片和单片机的种类都较多，它们的应用也有各自的侧重点。了 解它们的特性和应用环境，对于设计功能强大的单片机应用系统也是非常重要 的。 在设计p s d 与单片机所组成的系统中，有可能存在隐含错误或故障，而且 p s d 芯片内部节点的状态基本上是不可观测的。这就要对所设计的系统或p s d 芯片进行可行性验证。p s d s o f l 开发软件内包含的逻辑仿真工具p s d s i l o s l i i 能够 实现对p s d 芯片的行为级仿真。对p s d 器件进行逻辑仿真需要以下的信息： ( 1 ) p s d 器件内部各基本单元的数学模型即器件的库模型，它由p s d s o f l 开发软件 随机提供。( 2 ) p s d 器件实现特定设计时内部基本单元之间的连接关系。( 3 ) 作用 于数学模型的外部激励信号。由设计者按照与p s d 器件配合使用的单片机的时 序编写仿真激励文件l l3 。 3 2 人机交互接口系统的设计 3 2 1 人机交互接口系统设计 人机交互接1 2 是整个高频电刀和操作者之间信息交互的中心，由于电刀重新 设计后增加了几种工作模式，同时基于显示直观操作方便等因素的考虑，在课题 中对人机接口界面系统进行了重新的设计。在新的人机接口界面中，改变了原来 所有工作模式共用一组显示窗口的布局，将八种工作模式按切、凝和双极镊子分 为三个功能模块，每一功能模块分别有自己的显示窗口和功率输出指示灯。同时 设置了一个故障及安全报警显示窗口，当系统检测到存在故障或危险时在启动声 光报警的同时显示相应的错误代码，这样在发生故障时能够及时指导技术人员排 除故障，在危险发生时能够指导操作者迅速的解除危险。 在以前的电刀系统中，由于人机接口界面系统的电路设计简单，显示需要不 停的对l e d 进行刷新操作，在读取键值和控制显示时耗费掉了许多系统资源。 1 4 第三章控制系统 而在新的人机接口界面系统电路中，采用专用的芯片处理显示和键盘，控制l e d 显示和状态指示灯显示用的都是串入并出的器件，控制l e d 显示的m c l 4 4 8 9 具 有自动刷新功能，控制状态指示灯的t p i c 6 8 5 9 5 具有输出锁存功能，这样只须 控制系统将要显示的内容通过串行通讯送到人机接口界面系统便无须再进行重 复刷新的工作。同样，读取键盘状态用了具有输入锁存的并入串出器件，这样整 个人机接口界面系统在硬件设计上节约了单片机的口线占用，在程序运行时节约 了刷新控制的时间，因此重新设计了整个人机界面接口系统后，即丰富了显示控 制的功能，又可节约系统的资源。 为了便于统一寻址控制，在控制检测器件的寻址方面采用带锁存的3 8 地址 译码器7 4 l s l 3 7 ，这样在控制系统中只需要三根地址线，两根i i ，o 线( 一根数据线 和一根时钟线) 和一根片选线便可以实现对整个人机接口界面系统的控制。整个 人机界面接口系统的结构框图如图3 6 所示。 图3 6 人机界面接口系统硬件结构框图 3 3 2 键盘扫描及处理程序的流程图 在整体系统设计中，出于节约系统硬件资源的考虑，对键盘状态的读取采用 扫描的处理方案而不是中断。在上面己经提到，在定时器t o 的中断处理程序中 定时对键盘进行扫描，在获得有效的键值后再对其进行处理，在该系统中键盘的 去抖动处理是利用软件程序实现的。在电刀系统中，键盘的作用是更改工作模式， 改变当前工作模式的输出功率或定时时间，键盘扫描处理程序的流程图如图3 7 所示。 ：一 。，。， 。、 第三章控制系统 3 3 控制软件的整体设计 高频电刀的软件控制系统在正常工作时，主要分为两个部分，一部分是在主 图3 7 键盘扫描处理程序流程图 程序中不断重复执行，直至发现有效的控制信号后转去执行相应的控制工作；另 一部分是依附于中断服务程序，在程序设计中，定时器t l 的溢出用于控制串行 通讯波特率，定时器t 2 中断用于控制驱动蜂鸣器的脉冲频率，外部中断1 和定 时器t 0 中断联合使用来控制键盘扫描处理、系统定时检测、系统延时等许多其 他的功能也是在外部中断1 或定时器t 0 的中断服务程序中进行处理。 在程序设计中，有关功率输出控制的程序是在主程序不断扫描处理的，这部 分程序的主要功能是附件优先检测、不同工作模式参数设置、功率输出的开关控 制、安检测、双极镊子状态检测或单极电刀电流调节等。该部分程序的流程如图 3 8 所示。 由于系统资源的限制，外部中断i 和定时器t 0 除了相互配合完成键盘扫描 处理的控制外，还要同时处理一些与时间延迟有关系的程序处理，如双极镊子自 动输出时间的控制、单极电流采样周期的控制、负极板检测时间间隔的控制、键 盘定时扫描处理和看门狗的重新装入等。该部分程序的流程如图3 9 所示。 1 6 第三章控制系统 图3 8 主程序工作控制流程图 1 7 第三章控制系统 a 、外部中断l 中断服务程序流程图 b 、定时器t 0 中断服务程序流程图 图3 9 外部中断l 和定时器t o 中断处理 1 8 第四章功率系统 第四章功率系统 在高频电刀系统中，功率系统提供手术所需的高频高压信号源，是整个系统 的主体。它的精确性和安全性决定了整个系统的优良。该功率系统包括了直流高 压部分( h v d c ) ，高频信号源部分，以及高频信号功率放大部分。 4 1 直流高压源 4 1 1 可控硅技术 可控硅整流功率控制技术是高频电刀中广泛使用的调节功率方式，其特点是 技术成熟、成本低。可控硅整流方式的功率控制是通过改变交流电在一个正弦周 期内的导通时间，得到不同的输出电压，并提供给功率输出电路，从而实现对电 刀功率的调整。可控硅整流电路将输入的交流电整流滤波成电压可调的直流电， 其电压的大小直接决定射频放大电路的输出功率，通过对可控硅整流电路输出电 压的控制就能实现对高频电刀输出功率的控制。 可控硅调功的工作原理是通过改变交流电每一个正弦周期内的可控硅导通 时间，得到不同的输出电压，从而实现功率调整。 可控硅调压电路的工作过程如下，电网电压经过全波整流后变成1 0 0 h z 的 单极性正弦波，在其经过零点时刻，打开可控硅，经过延时t o 后，关闭可控硅， 得到输出电压u ，如图4 1 所示。u 再经过滤波电路，得到直流电压u d 。当t o = l o r e s 时，可控硅全导通，u d 的值与全波整流滤波得到的电压一样。通过改变t o 的大 小，可以实现对u d 的调节，就可以实现对电刀输出功率的调节【l 。 图4 1 可控硅整流电路波形 但是在使用中，由于电网电压的变化会直接改变可控硅整流电路的电压输 出，从而影响高频电刀的功率输出，这是可控硅整流应用在高频电刀中遇到的突 出问题。所以选用使用开关电源技术控制功率的新型电刀。 4 1 2 开关电源 由于各种电力电子产品的层出不穷，使得各类产品对电能形式的要求也越来 1 9 第四章功率系统 越多样化，这极大的促进了开关电源的发展。随着p w m 技术的不断发展和完善， 开关电源以其高的性价比得到了广泛的应用。开关电源的设计通常选用p w m 集 成芯片，而u c 3 8 2 5 高速p w m 集成控制芯片广泛应用于开关电源的设计中。由 于u c 3 8 2 5 具有外围电路设计简单，功能强大等特点受到广泛的应用。 u c 3 8 2 5 内部电路主要由高频振荡器、p w m 比较器、限流比较器、过流比 较器、基准电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定、p w m 锁存器、输出 驱动器等组成。其工作频率可达1 m h z ，最大驱动电流峰值高达1 5 a ，可用作电 压或电流型p w m 控制器。管脚l 、2 分别是误差放大器的反向和正向输入端， 通常管脚2 与芯片输出的参考电压相连，作为误差放大器的参考输入，管脚1 输 入主电路的电压反馈，同时误差放大器的输出也开放给用户，用户可以根据需要 设计成p i 控制电路。管脚7 是斜坡信号输入端，可以将电流反馈信号引入，形 成电流内环反馈。管脚5 ，6 可接震荡电阻和电容，根据电路频率的需要调节阻 值和容值。也可以通过4 外加频率使芯片与外部频率同步。管脚功能如表4 1 所 示。 表4 1u c 3 8 2 5 管脚功能 管脚功能管脚功能 li n c ( 误差放大器反相输入端) 9 i l i m ( 限流) 2 n i ( 误差放大器同相输入端) 1 0 g n d ( 信号地) 3e ao u t ( 误差放大器输入端) 1 1o u ta ( 输出a ) 4 c l k l e b ( 时钟上升沿封锁) 1 2 p g n d ( 功率地) 5 r t ( 振荡器定时电阻) 1 3 v c ( 输出级电压) 6c t ( 振荡器定时电容)1 4o u tb ( 输出b ) 7r a m p ( 斜坡输入) 1 5 v c c ( 电源电压) 8 s s ( 软启动) 1 6 v r e f ( 基准电压) 第四章功率系统 圈4 2u c 3 8 2 5 工作原理图 图4 2 所示，为u c 3 8 2 5 夕 围电路，由于2 脚可以开放给用户作为控制输出电 压大小的信号。因此图中信- 号s v sz c o n 来自于主微控制器，可以控制高压直流 电压h v d c 信号输出大小。s y se c o n 范围为o - 5 v 直流电压比例对应控制高压直 流电压h v d co 1 8 0 v 直流电压。 2 l 第四章功率系统 图4 3h v d c 产生原理图 电路中功率m o s 管q 1 ，q 3q 4q 5 组成了桥式电路。u c 3 8 2 5 输出端口 产生的输出信号t i a _ _ d r i v e 驱动q 1 和q 4 ，t i c l d r i v e 驱动q 3 和q 5 。q 3 和q 5 打开的时候，q 1 和q 4 是关闭的，反之则是q 3 和q 5 关闭，q 1 和q 4 打 开。t 3 高频变压器，c r l 3 ，c r l 9 ，c r l 0 ，c r 2 3 进行全波整流，l l 和c 3 3 ， c 3 5 组成滤波器，最后得到输出的直流电压h v d c 。 第四章功率系统 厂厂代删e 厂厂 图4 4p w m 信号波形图 q 1 q 3 t 3 输出 用推挽式开关逆变电路实现h v d c 高压直流信号源，由于电路工作频率高， 滤波元件参数小，波形质量好，所需的变压器体积也小