植入式醫療設備無線電能傳輸電路的設計

呂德深

（南寧學院機電與質量技術工程學院，廣西南寧，530200）

0 引言

最近幾年，科學技術快速發展，植入式醫療設備受到了越來越多的研究者的關注。有線供電和無線供電通常是植入人體的醫療設備的兩種主要供電方式[1]。有線供電對于患者攜帶極為不方便，而無線供電則優勢明顯。無線供電優勢不需要直接接觸電線、攜帶方便。因此，無線電能傳輸在植入式醫療設備上得到了廣泛的應用[2-3]。

如今各種植入醫療設備在快速發展，無線電能傳輸技術成為研究的熱點對象，應用于各種各樣的設備，如心臟搏起器、人工心臟、人工耳蝸等[4]。無線電能傳輸設備不需要增加連接電線，使用起來非常方便。

常見的無線電能傳輸的方式有：感應式電能傳輸和磁耦合諧振式電能傳輸。磁耦合諧振式無線電能輸與感應式電能傳輸相比有較大的優勢，有傳輸距離較遠、傳輸效率較高、可以穿過沒有磁導性障礙物傳輸電能更強等優點。因此，本文設計了一磁耦合諧振式無線電能傳輸電路，可供植入式醫療設備提供參考與借鑒。

1 總體方案設計

感應式無線電能傳輸電路的設計簡單，不需要非常高的匹配參數就能實現電能感應傳輸，但傳輸距離較近、效率不高，不適合植入式醫療設備中[5]。磁耦合諧振式無線電能傳輸電路的設計需要精確計算發射電路和接收電路的諧振參數，才能使得電能傳輸更遠、效率更高。

為了實現磁耦合諧振式無線電能傳輸，系統主要包括發射部分和接收部分[6-7]。發射部分包括電源轉換單元、控制器單元、按鍵單元、液晶顯示單元、信號發生單元、線圈驅動單元、發射線圈等；接收部分包括接收線圈、整流濾波單元、負載等。系統總體框圖如圖1 所示。電源轉換單元是系統的輸入部分，一方面為發射部分的控制器單元、按鍵單元、液晶顯示單元、信號發生單元等提供電源，另一方面為電能發送提供必要的條件?？刂破鲉卧窍到y的核心部件，主要用于實現按鍵的識別、液晶顯示控制、信號發生控制等。信號發生器單元作用是識別單片機的指令產生脈沖信號。線圈驅動單元是將信號發生單元產生的脈沖信號進行電壓電流放大，從而驅動線圈，形成震蕩變化的電流。線圈將震蕩的電流變成磁場發射出去。接收線圈與發射線圈形成共振，將變化磁場轉化成變化的電壓。整流濾波單元將接收線圈形成的交流電壓整流濾波后供給負載工作。

圖1 系統總體框圖

2 系統硬件設計

■2.1 電源轉換單元設計

常見的電源轉換電路有線性電源電路和開關電源電路兩類。線性電源電路的功率管工作在線性區域，而開關電源電路的功率管工作在開關狀態，因此開關電源電路效率較高。為了提供系統的工作效率，電源轉換單元采用開關電源電路模塊LM2596，將輸入的+12V 電源轉換為+5V 電源供給單片機、液晶、按鍵、信號發生電路等工作,其電路圖如圖2 所示。圖中LM2596 采用輸出恒壓5V 的芯片LM2596-5V，該芯片工作頻率高達150kHz,只需外接簡單的幾個器件（圖中C111、C12、L3、D3）就可以實現輸出高效穩定的電壓。

圖2 電源轉換單元電路圖

■2.2 控制器單元設計

控制器單元只需將按鍵信息識別、輸出頻率顯示、信號發生模塊控制即可，本系統采用低成本的STC89C52 單片機進行控制。STC89C52 單片機擁有8K 字節系統可以進行編程Flash 存儲器，含有512 個字節，具有價錢實惠、使用方便、編程容易等特點。在8 位單片機市場中占有很大份額，并且自帶看門狗復位電路，實現非法指令碼檢測復位和非法地址檢測復位等系統保護。其電路圖如圖3 所示。控制器單元包括單片機STC89C52 芯片、復位電路（圖中S1、C5、R4）、晶振電路（圖中Y1、C9、C10）、P0 口上來電阻排RP1。

圖3 控制器單元電路圖

■2.3 按鍵與液晶顯示單元設計

按鍵用于設置頻率大小，液晶顯示設置頻率的大小，其電路圖如圖4 所示。按鍵采用兩個獨立鍵盤的形式，單片機只需采集P34、P35 的高低電平就可以檢測出是否有按鍵按下，若有按鍵按下則執行相應的加減頻率動作。液晶顯示單元采用LCD1602 顯示模塊，是一種由彩色或者黑白像素組成的液晶顯示屏，一共能夠顯示32 個字符。LCD1602 模塊電路簡單，外接元件少，只需外接一個可調電阻對比度即可，圖中W1 用于調節液晶。

圖4 按鍵與液晶顯示單元電路圖

■2.4 信號發生單元設計

產生脈沖信號通常用多諧振蕩器產生、晶體振蕩器產生、直接數字頻率合成（DDS），為了得到穩定可靠、容易調節的脈沖信號，本系統采用DDS 集成芯片產生，其電路圖如圖5 所示。圖中U1 為AD9833 集成芯片，AD9833 是一種能產生正弦波、三角波、脈沖信號多種波形DDS 芯片，其輸出的頻率和相位可進行軟件編程，調整非常簡單，不需要太多外部元器件。AD9833 頻率設置為28 位的寄存器，如果它的時鐘源為25M，通過編程能得到0.1Hz 分辨率的時鐘；相同的道理，如果它的時鐘源為25M，可以得到0.004Hz分辨率的時鐘。圖中AD8051 與R1、R2 組成的是同相放大器電路，將AD9833 輸出的信號進行放大6 倍左右。

圖5 信號發生單元電路圖

■2.5 線圈驅動及線圈單元設計

信號發生單元輸出的信號不能直接驅動發射線圈，因此，需要增加線圈驅動電路，其電路如圖6 所示。XKT1511是一個30W 大功率OTL 輸出的芯片。圖中Q1 和Q2 組成互補推挽電路，實現推動XKT1511 芯片。

■2.6 接收部分電路設計

接收部分電路圖如圖7 所示。圖中L2、C6 與圖6 中L1、C2參數一致，這樣發射線圈和接收線圈更容易產生諧振。圖中D1 為整流二極管，將線圈上的交流電轉化為直流電；C7、C8 為濾波電容、D2 為負載發光二極管。

圖6 線圈驅動及線圈單元電路圖

圖7 接收部分電路圖

3 系統軟件設計

系統采用C 語言進行編程，采用Keil uVision4 進行編寫和編譯系統代碼。Keil uVision4 編譯速度非?？?，只需要非常短的時間就可以把代碼編寫成HEX 文件，還帶有自動查錯的功能，非常好用。通過編寫程序可以利用語言把需要控制的部分連接在一起，形成一個功能強大的系統。

在編寫系統程序中，首先對單片機、DDS 模塊和顯示模塊進行初始化，接著檢測是否有按鍵按下，若有按鍵按下進行按鍵處理并更新顯示，最后將數據傳送給AD9833 進行更新輸出波形，其總體程序流程圖如圖8 所示。

圖8 系統總體程序流程圖

4 總結

本文所設計的磁耦合諧振無線電能傳輸將體外的電能以磁場為載體，對植入醫療設備進行提供能量。這種供電技術不會損傷皮膚，避免感染，減少治療痛苦，可大大提高和改善病人的生活質量。希望本文能為植入式醫療設備設計提供參考與借鑒。