基于混合動(dòng)力醫(yī)用控溫毯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 寧，張?jiān)?，孫 源

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

0 引言

醫(yī)用控溫毯是在醫(yī)療機(jī)構(gòu)臨床使用環(huán)境下，通過(guò)控制設(shè)備內(nèi)循環(huán)液體的溫度，從而具有對(duì)人體進(jìn)行體外物理升溫或降溫功能，達(dá)到輔助調(diào)節(jié)人體溫度目的的設(shè)備[1]。隨著近幾年醫(yī)學(xué)工作的不斷深入，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)醫(yī)用控溫毯在替代傳統(tǒng)升/降溫方式，應(yīng)用于顱腦損傷亞低溫治療、神經(jīng)外科治療、高熱患者降溫治療等方面有著很好的效果[2]。由于醫(yī)用控溫毯在國(guó)內(nèi)的起步相對(duì)較晚，相關(guān)的醫(yī)療衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)在近幾年才逐步完善，故目前國(guó)內(nèi)使用的醫(yī)用控溫毯在溫控精度、驅(qū)動(dòng)形式、交互界面等方面相比于國(guó)外同類型產(chǎn)品仍有一定差距。本文將針對(duì)現(xiàn)有醫(yī)用控溫毯驅(qū)動(dòng)形式的不足，提出一種半導(dǎo)體與壓縮機(jī)混合驅(qū)動(dòng)模式，并從硬件與軟件兩方面對(duì)混合驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

1 醫(yī)用控溫毯驅(qū)動(dòng)模式

1.1 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式

傳統(tǒng)醫(yī)用控溫毯采用壓縮機(jī)制冷、電熱絲加熱的方式對(duì)毯內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的熱質(zhì)進(jìn)行溫度控制[3]。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的成熟，半導(dǎo)體開(kāi)始逐漸被應(yīng)用于各種溫控設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)醫(yī)用控溫毯主流驅(qū)動(dòng)方式主要有兩種：①壓縮機(jī)制冷/電熱絲加熱；②半導(dǎo)體制冷/熱。

醫(yī)用控溫毯一般選用溫控性能較好的直流變頻壓縮機(jī)[4]。直流變頻壓縮機(jī)雖然性能穩(wěn)定，但相比于同功率其他壓縮機(jī)而言價(jià)格更高。電熱絲價(jià)格較低，但普遍具有轉(zhuǎn)換效率低、易氧化、使用壽命短、控溫精度差等缺點(diǎn)。半導(dǎo)體在可靠性、無(wú)噪聲、可控性等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但由于自身性能的限制，其制冷/熱效率相比于壓縮機(jī)和電熱絲更低[5]，一般只能用于工作場(chǎng)景較為單一的小型溫控設(shè)備中。

1.2 混合驅(qū)動(dòng)模式

半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換效率與接入其兩端的電源電壓穩(wěn)定性和其熱端散熱的能力有著很大的關(guān)系，其工作原理如圖1所示。電源電壓穩(wěn)定性可以通過(guò)選用性能可靠的醫(yī)用電源來(lái)解決，而半導(dǎo)體熱端散熱，可通過(guò)改善散熱條件來(lái)提高半導(dǎo)體工作效率[6]。

圖1 半導(dǎo)體制冷/熱工作原理

本文提出一種新型的混合驅(qū)動(dòng)形式：由半導(dǎo)體作為主要功率器件，并通過(guò)小功率直流變頻壓縮機(jī)輔助制冷的同時(shí)對(duì)半導(dǎo)體熱端進(jìn)行水冷散熱?；旌向?qū)動(dòng)形式結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。最終驅(qū)動(dòng)方案如下：

(1) 將空心水冷管與熱管散熱機(jī)組相結(jié)合，共同作用于半導(dǎo)體熱端散熱。

(2) 電控通斷閥控制空心水冷管導(dǎo)通與否，其開(kāi)啟和關(guān)閉由半導(dǎo)體熱端溫度調(diào)控。

(3) 通過(guò)電控分液閥，在制冷模式時(shí)，壓縮機(jī)組與半導(dǎo)體機(jī)組共用同一水路循環(huán)；在制熱模式時(shí)，壓縮機(jī)機(jī)組與半導(dǎo)體機(jī)組水路循環(huán)獨(dú)立。

圖2 混合驅(qū)動(dòng)形式結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控最小系統(tǒng)及存儲(chǔ)模塊

最小系統(tǒng)由STM32F429IGT6芯片、復(fù)位電路、晶體振蕩電路、JTAG下載/調(diào)試接口、BOOT啟動(dòng)模式配置電路組成。STM32F429IGT6是由意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的ARM Cortex-M4內(nèi)核的高性能芯片，集成FPU和DSP指令，并具有256 kB SRAM、1 024 kB FLASH、8個(gè)串口、3個(gè)12位ADC、2個(gè)12位DAC等豐富外設(shè)，芯片主頻高達(dá)180 MHz，可以輕松應(yīng)對(duì)各種嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[7]。

存儲(chǔ)模塊選用較為常見(jiàn)的SD卡，其具有應(yīng)用簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)速度快、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，是單片機(jī)擴(kuò)展存儲(chǔ)容量的最佳選擇之一。由于SD卡拆卸簡(jiǎn)單，為后期系統(tǒng)升級(jí)和患者信息記錄備份提供了便利。

2.2 半導(dǎo)體模塊

TEC(半導(dǎo)體)的驅(qū)動(dòng)模式包括線性模式和脈寬調(diào)制(PWM)模式。線性驅(qū)動(dòng)一般由橋式電路、差分放大電路和推挽式功率管組成[8]。由于線性驅(qū)動(dòng)的可調(diào)性較差，驅(qū)動(dòng)電能多由功率管發(fā)熱消耗，因此不適用于控溫精度要求較高的場(chǎng)合。而PWM模式可以根據(jù)需要使電流(或電壓)以不同方向、大小流過(guò)負(fù)載，有效降低熱量損耗，實(shí)現(xiàn)對(duì)TEC輸出功率的無(wú)極調(diào)控。

2.2.1 MOS管并聯(lián)電路

本設(shè)計(jì)使用特制TEC片，單片功率可達(dá)100 W，最大工作電流為2 A。后期實(shí)驗(yàn)表明，使用單一P型和N型MOS管搭建的電橋僅僅能完成小電流(2 A以下)輸出，當(dāng)輸出電流增大時(shí)，MOS管發(fā)熱嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致PCB板局部灼燒。為增大MOS管驅(qū)動(dòng)電流，本文借鑒文獻(xiàn)[9]提出的MOS管并聯(lián)方法，對(duì)MOS管并聯(lián)電路的連接方式進(jìn)行改進(jìn)，并結(jié)合H橋電路的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于TEC驅(qū)動(dòng)電路。由3個(gè)P型MOS管組成的并聯(lián)陣列電路如圖3所示(N型MOS管陣列電路與之類似)。

圖3 P型MOS管并聯(lián)陣列電路

并聯(lián)MOS驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于MOS管的均流，若想使多路MOS管在同一PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)作用下同時(shí)導(dǎo)通，必須對(duì)限流電阻的阻值有著嚴(yán)格的限定。通過(guò)合理布置PCB板的走線，使PWM信號(hào)輸出端與每支MOS管的距離和線寬相同；控制每支MOS管的散熱條件，盡可能保證每支MOS管的散熱性能一致，防止MOS管因溫差而導(dǎo)致壓降的不同，從而影響導(dǎo)通電流和導(dǎo)通時(shí)間，造成MOS管局部嚴(yán)重發(fā)熱。

2.2.2 H橋接電路

H橋接電路主要應(yīng)用于半導(dǎo)體兩端電壓的換向。本文選用日本東芝公司生產(chǎn)的P型MOS管TJ20A10M3N和N型MOS管TPN3300ANH，組成P-N MOS管H橋電路,其接線原理如圖4所示。相比于全N型MOS管組成的全橋電路，該方法設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，且無(wú)需額外增加專用驅(qū)動(dòng)芯片，降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)，無(wú)論P(yáng)WM控制信號(hào)處于何種狀態(tài)，H橋均不會(huì)出現(xiàn)共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象[10]，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此更符合醫(yī)用設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景。

PWM信號(hào)主要通過(guò)控制MOS管陣列通斷時(shí)長(zhǎng)來(lái)調(diào)控半導(dǎo)體兩端電壓的大小。P-N MOS管H橋電路主要利用了P型與N型MOS管通斷特性的不同來(lái)改變半導(dǎo)體兩端電壓的方向。P型MOS管柵極為低電平時(shí)開(kāi)通，高電平時(shí)關(guān)閉；N型MOS管柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通，低電平時(shí)關(guān)閉。圖4中，QP1(MOS管陣列)與QN2為一組導(dǎo)通MOS管，通過(guò)TEC的電流方向?yàn)閺淖笸?；QP2與QN1為一組導(dǎo)通MOS管，通過(guò)TEC的電流方向?yàn)閺挠彝?。?dāng)PWMA_OUT輸出方波信號(hào)時(shí)，另一組PWMB_OUT輸出為高電平，反之亦然。

圖4 P-N MOS管H橋接電路

2.2.3 隔離電路

為防止后級(jí)大功率驅(qū)動(dòng)負(fù)載帶來(lái)的電磁擾動(dòng)，本設(shè)計(jì)采用光耦HCPL3120將24 V電源電壓與5 V主控電壓隔離開(kāi)，其電路見(jiàn)圖5。圖5中，HCPL3120光耦芯片具有高共模抑制 (CMR) 能力，最大2 MHz的開(kāi)關(guān)頻率，且不需負(fù)向門驅(qū)動(dòng)，自帶滯后欠壓鎖定保護(hù)功能，完全適用于本驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。從單片機(jī)發(fā)出的PWM信號(hào)通過(guò)三極管S9013的放大作用，提高其對(duì)后級(jí)功率器件的驅(qū)動(dòng)能力。

圖5 PWM光耦隔離電路

2.3 壓縮機(jī)模塊

選用MAX3232芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)RS-232電平和TTL電平之間的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)STM32與壓縮機(jī)變頻控制器之間的串口通信，其通信電路如圖6所示。其中,串口通信波特率設(shè)置為9 600 Bd，數(shù)據(jù)格式采用1位起始位、8位數(shù)據(jù)、1位停止位的通信模式。STM32通過(guò)處理變頻器發(fā)來(lái)的16位雙字節(jié)數(shù)據(jù)，對(duì)壓縮機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行解析，從而對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定。

圖6 STM32與壓縮機(jī)串口通信電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫控模式設(shè)計(jì)

醫(yī)用控溫毯作為一種多功能升降溫設(shè)備，其溫控形式會(huì)隨治療場(chǎng)景的不同而發(fā)生變化。傳統(tǒng)醫(yī)用控溫毯的溫控形式只有制冷或者制熱兩種模式，且溫控范圍(一般由醫(yī)療衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)指定)較為固定。新型醫(yī)用控溫毯除包含傳統(tǒng)模式外，還相應(yīng)擴(kuò)展了其他功能模式，如低溫冷敷模式(遠(yuǎn)低于醫(yī)療衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定溫度，用于冷敷治療)、智能模式(與其他醫(yī)療設(shè)備結(jié)合，可根據(jù)患者的機(jī)體信號(hào)自動(dòng)調(diào)整溫度)等。本設(shè)計(jì)的溫控模式分為4種，即制冷模式、制熱模式、低溫冷敷模式和智能模式，不同模式分別對(duì)應(yīng)不同的調(diào)控處理方式。

3.2 調(diào)控處理流程

制冷模式下的調(diào)控處理流程如圖7所示。

圖7 制冷調(diào)控處理流程

通過(guò)采集一個(gè)系統(tǒng)周期內(nèi)設(shè)定溫度與控溫毯實(shí)際溫度的誤差值e作為調(diào)控的依據(jù)，采用多層模糊PID的控溫策略對(duì)半導(dǎo)體輸出功率進(jìn)行調(diào)控。多層模糊PID即通過(guò)誤差絕對(duì)值|e|的不同而將系統(tǒng)分為三層結(jié)構(gòu)，每層通過(guò)特定的調(diào)控方案對(duì)PWM脈沖信號(hào)進(jìn)

行控制。默認(rèn)狀態(tài)下，系統(tǒng)為混動(dòng)工作模式，當(dāng)半導(dǎo)體熱端溫度達(dá)到指定溫度時(shí)觸發(fā)壓縮機(jī)組工作。壓縮機(jī)通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率的大小，而轉(zhuǎn)速則由系統(tǒng)工作模式和半導(dǎo)體輸出功率進(jìn)行控制。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速需設(shè)置在一定范圍內(nèi)，才能使對(duì)應(yīng)模式下的系統(tǒng)熱交換達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。其他三種模式下的調(diào)控流程均與制冷模式相似，本文不再贅述。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的混合驅(qū)動(dòng)模式，已經(jīng)成功運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中，并取得一定成效。實(shí)際應(yīng)用表明：混合驅(qū)動(dòng)不僅能降低醫(yī)用溫控設(shè)備對(duì)壓縮機(jī)的功率需求，節(jié)省成本，而且能夠有效提升半導(dǎo)體材料的能源轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)醫(yī)用控溫毯由傳統(tǒng)機(jī)型向智能機(jī)型的轉(zhuǎn)變。