覃 莉，曹匯敏，許 曼，凌鴻順，岳之恒，傅 歆

（中南民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

發(fā)光二極管（LED）以其使用效率高、使用壽命長(zhǎng)和低功耗的特點(diǎn)廣范應(yīng)用于各種場(chǎng)合[1]，尤其近幾年，隨著光學(xué)療法在臨床治療上的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展[1-2]，通用的光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研制也就成了當(dāng)務(wù)之急。目前國(guó)內(nèi)所使用的光源驅(qū)動(dòng)器尚未實(shí)現(xiàn)多種模式的功能。本文介紹一種以ARM stm32和FPGA作為控制器，控制恒流源提供恒流信號(hào)的方法，實(shí)現(xiàn)多功能光源驅(qū)動(dòng)器的功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由基于ARM的主控部分、基于ARM觸摸屏的人機(jī)交互模塊、基于FPGA的信號(hào)源、恒流源驅(qū)動(dòng)電路等4大部分組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

主要設(shè)計(jì)思路為：人機(jī)交互模塊通過ARM觸摸屏接收對(duì)驅(qū)動(dòng)模式的選擇、驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)的設(shè)置，由ARM主控制器發(fā)送波形種類，幅度，頻率的控制信息給FPGA，F(xiàn)PGA接收信號(hào)并做出響應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)，產(chǎn)生的信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)化及濾波后送給程控恒流源再驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)還通過A/D采樣反饋給ARM主控，并在ARM觸摸屏上顯示波形。

2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 基于ARM觸摸屏的人機(jī)交互模塊

為實(shí)現(xiàn)人性化人機(jī)交互，采用觸摸顯示屏接受設(shè)置參數(shù)。用戶通過ARM觸摸屏選擇驅(qū)動(dòng)模式、設(shè)置驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)及驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形顯示?；贏RM觸摸屏的人機(jī)交互界面顯示利用結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)體里存儲(chǔ)界面的圖形信息和坐標(biāo)信息，多界面的實(shí)現(xiàn)則相當(dāng)于一個(gè)菜單鏈表，多界面切換就是利用鏈表來尋找相應(yīng)菜單[3]。

觸摸屏上，一部分區(qū)域用于顯示波形，一部分區(qū)域用于用戶操作。通過一定的采樣頻率，將送到LED的驅(qū)動(dòng)信號(hào)在觸摸屏波形顯示區(qū)域中顯示，能直觀了解到輸出波形的情況。在觸摸屏操作區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形、幅值和頻率的調(diào)節(jié)，在直流驅(qū)動(dòng)模式下，可實(shí)現(xiàn)幅度的調(diào)節(jié)；在脈沖驅(qū)動(dòng)模式下，可實(shí)現(xiàn)頻率、占空比、幅度的調(diào)節(jié)；在正弦驅(qū)動(dòng)模式下，系統(tǒng)可產(chǎn)生兩種頻率分時(shí)切換的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)，能實(shí)現(xiàn)頻率、幅度和分時(shí)切換時(shí)間的調(diào)節(jié)，整體操作界面人性化。

2.2 基于ARM的主控部分

ARM主要完成與觸摸屏的通信、與FPGA的通信以及在恒流源部分的穩(wěn)流功能。

FPGA與ARM控制板的通信采用并行接口，一次傳輸17位，從第16位到第1位為數(shù)據(jù)，第0位作為控制；ARM向FPGA寫操作時(shí)，第0位控制命令為高電平，先寫入16位數(shù)據(jù)；ARM向FPGA讀數(shù)據(jù)時(shí)，第0位控制命令為低電平，并先寫入16位數(shù)據(jù)。這樣就實(shí)現(xiàn)了FPGA與ARM之間的通信[3]。

在恒流源中通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)分析，利用ARM送出數(shù)字量給FPGA，然后由FPGA控制D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，再送到大功率三極管進(jìn)行放大。ARM通過ADC實(shí)時(shí)對(duì)輸出電壓（即電流，電流轉(zhuǎn)化為電壓）進(jìn)行監(jiān)控，采用數(shù)字方式作為閉環(huán)反饋調(diào)整環(huán)節(jié)，由程序控制功率管的輸出電流恒定。當(dāng)改變負(fù)載大小時(shí)，基本上不影響電流的輸出，采用這樣一個(gè)閉路環(huán)節(jié)使得系統(tǒng)一直在設(shè)定值而維持電流恒定。同時(shí)，通過ADC可以采到連續(xù)的電壓值，反饋給ARM后在觸摸屏界面上顯示出相應(yīng)的波形。

2.3 基于FPGA的信號(hào)源

此模塊的核心在于FPGA的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DDS的邏輯功能，通過對(duì)存儲(chǔ)器查表后輸出信號(hào)，由相連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為要求的波形。

DDS技術(shù)是從相位的概念進(jìn)行頻率合成。它按一定的相位間隔，將待產(chǎn)生的波形幅度的二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于高速存儲(chǔ)器作為查找表，用參考頻率源 (一般為晶體振蕩器)作為時(shí)鐘，用頻率控制字決定每次從查找表中取出波形數(shù)據(jù)的相位間隔，以產(chǎn)生不同的輸出頻率，對(duì)取出的波形數(shù)據(jù)通過高速D/A轉(zhuǎn)換器來合成出存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)的波形。通過修改存儲(chǔ)在ROM里的數(shù)據(jù)就可以產(chǎn)生相應(yīng)驅(qū)動(dòng)模式下的驅(qū)動(dòng)信號(hào)[3-5]。DDS原理圖如圖2所示。

圖2 DDS原理圖Fig.2 DDS diagram

具體實(shí)現(xiàn)過程中，我們建立一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)從ARM接收來的頻率控制字的寄存功能，作為寄存器。全加器實(shí)現(xiàn)10位的相位累加，通過頻率控制字作為步長(zhǎng)進(jìn)行控制，然后再通過波形ROM完成波形的查找與輸出。通過改變相位累加器的相位增量X，即地址間隔的改變，控制讀出波形存儲(chǔ)器一個(gè)周期正弦波幅值的數(shù)目，達(dá)到輸出頻率的控制。其輸出的頻率為，其中fclk為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，M為相位累加器的位數(shù)，X為相位增量一頻率控制字，由公式可知f0與X成正比，控制X就可以控制輸出的頻率[3]。據(jù)此則可根據(jù)ARM傳送的控制指令修改ROM的值以產(chǎn)生常規(guī)的正弦、脈沖、直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在產(chǎn)生雙頻輪流的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，通過分時(shí)輪轉(zhuǎn)控制頻率的算法，即ARM傳送用戶輸入的頻率控制字給FPGA，然后相位累加器根據(jù)這個(gè)值進(jìn)行相位累加，在累加值達(dá)到頻率轉(zhuǎn)換值之后，相位累加器清零并保留上一個(gè)電壓值，作為下一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換點(diǎn)的初始值，通過這種算法即可實(shí)現(xiàn)分時(shí)切換頻率且相位連續(xù)的功能。

另外，在此模塊中還有外圍電路，主要完成D/A轉(zhuǎn)換與濾波功能。D/A轉(zhuǎn)換主要采用DAC900芯片實(shí)現(xiàn)。電路圖如圖3所示。

圖3 D/A電路圖Fig.3 D/A circuit diagram

2.4 恒流源驅(qū)動(dòng)電路

LED驅(qū)動(dòng)源是恒定電流工作方式，根據(jù)本項(xiàng)目高精度高穩(wěn)定度要求，我們采用程控LED驅(qū)動(dòng)源，保證檢測(cè)參數(shù)的穩(wěn)定。通過硬件電路與軟件控制的結(jié)合，提高驅(qū)動(dòng)源的性能，提高控制的精度、穩(wěn)定度。

2.4.1 恒流源驅(qū)動(dòng)電路的程控部分

程控恒流源的穩(wěn)流電路主要采用負(fù)反饋方式，常用內(nèi)環(huán)反饋，即在穩(wěn)流部分加入一個(gè)負(fù)反饋，在D/A輸出電壓值之后與基輸出電壓相比較，根據(jù)誤差信號(hào)，運(yùn)用電路負(fù)反饋原理降低誤差，使輸出性能較理想[6]。也有用雙閉環(huán)控制。即在內(nèi)環(huán)反饋基礎(chǔ)上再加上一個(gè)外部的負(fù)反饋。把輸出后電壓值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后，再與設(shè)置電壓值相比較，通過程序調(diào)節(jié)D/A控制電壓穩(wěn)定輸出電流，然后經(jīng)過內(nèi)環(huán)反饋，進(jìn)一步控制電壓穩(wěn)定輸出電流，即經(jīng)過了兩次負(fù)反饋過程。理論上講這種方案比單獨(dú)內(nèi)環(huán)反饋要更精確。故實(shí)際應(yīng)用中，采用了雙閉環(huán)控制電路。雙閉環(huán)控制電路的原理框圖如圖4所示[6]。

圖4 程控恒流源原理框圖Fig.4 Programmable constant current source block diagram

2.4.2 恒流源驅(qū)動(dòng)電路硬件部分

恒流源電路原理圖如圖5所示,在此電路中采用一個(gè)可以軌對(duì)軌的運(yùn)放芯片OPA561作為電壓的前級(jí)的放大，且其關(guān)斷功能可以有效的保護(hù)電路。兩個(gè)三極管串聯(lián)，前一個(gè)S8050作為前級(jí)的預(yù)放大，后面一個(gè)BD135音頻三極管用來擴(kuò)流。在BD135的射極，串聯(lián)一個(gè)大功率的電阻，給集電極提供一個(gè)電流回路。Ie與Ic近似相等，可以通過一個(gè)光電接收管接收LED的光來推算出三極管和通過LED的電流信號(hào)。擴(kuò)流三極管上加上散熱片，有效為電路散熱，避免溫度過高而產(chǎn)生的不穩(wěn)定。

圖5 恒流源電路圖Fig.5 Constant current source circuit diagram

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在觸摸顯示屏上選擇驅(qū)動(dòng)模式、信號(hào)頻率及幅度，可看到LED以所選模式發(fā)光，并可在顯示屏上看到相應(yīng)信號(hào)波形。該光源驅(qū)動(dòng)裝置具有直流驅(qū)動(dòng)、脈沖驅(qū)動(dòng)、正弦驅(qū)動(dòng)、雙頻正弦輪流驅(qū)動(dòng)四種驅(qū)動(dòng)模式，脈沖驅(qū)動(dòng)、正弦驅(qū)動(dòng)、雙頻正弦輪流驅(qū)動(dòng)模式下，均可產(chǎn)生10 Hz～500 KHz,0.2mA～1 A的恒流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖6～圖9所示為4種模式下的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖6 直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)Fig.6 DC-Driving signal

4 結(jié)束語

圖7 脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)Fig.7 Pulse-Driving signal

圖8 正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)Fig.8 Sine-Driving signal

圖9 雙頻正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)Fig.9 Dual-frequency sine-Driving signal

系統(tǒng)采用ARM和FPGA結(jié)合，控制恒流源的方法，研制了一種可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生多種驅(qū)動(dòng)信號(hào)功能的光源驅(qū)動(dòng)裝置。實(shí)驗(yàn)證明：該設(shè)計(jì)電路正確可行，不同功率的LED均能在各種驅(qū)動(dòng)模式下正常發(fā)光，滿足了多功能光源驅(qū)動(dòng)裝置的要求。能為一些便攜式醫(yī)療設(shè)備所使用，還可作為其他類電子系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置。在不久的將來，隨著醫(yī)用傳感器及其他類電子系統(tǒng)的普及，這種光源調(diào)制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也必將得到空前發(fā)展。

[1]阮愷.光纖耦合 LED光學(xué)治療儀研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[2]曹匯敏.微小型光纖傳感器理論建模與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[3]黃燕.基于FPGA的DDS信號(hào)發(fā)生器的研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2012.

[4]闕斐一，陳名松，秦琳.新型大功率藍(lán)光LED光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(7):187-189.QUE Fei-yi,CHEN Ming-song,QIN Lin.Drive circuit design for the novel high-power blue LED[J].Electronic Design Engineering,2011,19(7):187-189.

[5]曹匯敏，陳幼平，張岡，等.嵌入式網(wǎng)絡(luò)化光纖智能傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006(4):1-3.CAO Hui-min,CHEN You-ping,ZHANGGang,etal.Embedded networked intelligent optical fiber sensor[J].Instrument Technique and Sensor,2006(4):1-3.

[6]唐健.基于Labview的高精度程控 LED驅(qū)動(dòng)源的研究與實(shí)現(xiàn)[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.