基于LM3402的新型LED无影灯控制系统设计

2014-12-07 13:03:51来源: 互联网 关键字:LM3402  LED  无影灯

  无影灯是用来照明外科手术部位不可缺少的重要设备,要求能以最佳地观察处于切口和体腔中不同深度、大小、对比度低的物体。因此,除需要“无影”以外,还需要光照度均匀、光质好,能够很好地区分血液与人体其他组织、脏器的色差。此外,无影灯还须能长时间地持续工作,而不散发出过量的热,因为过热会使手术者不适,也会使处在外科手术区域中的组织干燥[1]。

  目前手术灯一般都采用环形节能灯或卤素灯,但随着发光二极管LED技术的不断发展,特别是高亮度白光LED的发展,LED无影灯彻底解决了环形节能灯自身存在的先天缺陷,是环形节能灯的升级换代产品。目前,LED无影灯的优越性逐渐被显微镜使用者所了解和接受,使用成本亦较环形节能灯低,减少了每1~2 个月就需更换环形灯管的麻烦。

  目前,在技术上已成功解决了大功率LED的封装、恒流驱动、散热以及照度控制等问题,可实现无影灯照度的多级调控,调光灵活、方便。LED无影灯的优点有[1-2]:

  (1)出色的冷光效果:采用新型的LED冷光源作为手术照明,是真正冷光源,医生头部和伤口区域几乎无温升。

  (2)光质好:白光LED具有区别于普通手术用无影灯光源的色品特点,可以增加血液与人体其他组织、脏器的色差,使得手术中医生的视觉更加清晰,在流淌、渗透的血液中人体的各个组织、脏器更容易被区分出来,这是普通手术用无影灯所不具备的。

  (3)亮度无级调节:采用数字方式无级调控LED的亮度,操作者可根据自身对亮度的适应性随意调节亮度,使其达到最为理想的舒适度,使长时间工作的眼睛不易产生疲劳感。

  (4)无频闪:因为LED无影灯为纯直流供电,无频闪,不易使眼睛产生疲劳感,亦不会对工作区域的其他设备产生谐波干扰。

  (5)光照度均匀:采用特殊的光学系统,360°均匀照射在被观察物体上,无虚影产生,清晰度高。

  (6)寿命长:LED无影灯平均寿命长(35 000 h),远大于环形节能灯(1 500~2 500 h),寿命为节能灯的十倍以上。

  (7)节能环保:LED具有较高的发光效率,耐冲击,不易破碎、无汞污染,且其发出的光不含红外和紫外成分的辐射污染。

  1 系统结构

  1.1 总体结构

  由于单个LED的发光效率不能满足手术无影灯的光照强度和均匀性的要求,因此需要用多个LED组成阵列,并要求排列合理,分布均匀,使得每个目标平面的光照度符合要求,以此来决定LED的数量以及分布规则。虽然LED的发光效率高,产生的热量少,但是如此多的LED在一个密封的箱体内,还是会产生大量的热量,温度甚至会高达60℃~80℃,所以必须合理设计散热器以及散热通道,以有效地降低系统热阻。

  LED手术无影灯由多个灯头组成,成花瓣状,固定在平衡臂悬挂系统上,定位稳定,能做垂直或循环移动,可满足手术中不同高度和角度的需求。整个无影灯有 144个高亮度白色LED,8个串联成一组,即称为高亮度发光二极管串HBLEDs(High Brightness Lighting Emitting Diode),以18组并联而成。每组相互独立,若有一组损坏,其他照样能够继续工作,所以对手术的影响较小。每组由一个LM3402单独进行恒流驱动,并根据用户需要,接受一个微处理器(CMU)P89LPC932的PWM脉宽调节控制,可无级调节,流过每个LED的电流约为120~320 mA。LED无影灯电气原理图如图1所示。

  

 

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  1.2 操作面板

  操作面板上有4个按钮(环境照明、关闭、调亮和调暗按钮)和8个LED指示灯。按下环境照明按钮,表示只需腔镜环境照明,只留下其中一路的3个LED用于照明,而关闭其余LED发光二极管串;按下关闭按钮,将熄灭所有8路LED发光二极管串,再次按下此按钮,则可以回到原照度显示状态,掉电或重启也可回到设定照度状态;调亮和调暗按钮用于改变无影灯的照度,对应8个指示灯,指示8挡亮度,从左到右每增加一挡就增加一个指示LED点亮,无影灯处于关灯状态时,最右边2个指示LED点亮。所有操作信息均是通过RS485总线传输给驱动板MCU。

  1.3 驱动板

  驱动板是整个无影灯控制器的核心,主要由一个MCU P89LPC932和18路LM2402恒流稳压电路组成,还包含RS485通信电路。

  P89LPC932是由飞利浦公司生产的低功耗的MCU,电源电压3.3 V,可低功耗运行,适合于许多要求高集成度、低成本的场合,可以满足多方面的性能要求。P89LPC932采用了高性能的处理器结构,指令执行时间只需 2~4个时钟周期,6倍于标准80C51器件。此外,P89LPC932还集成了许多系统级的功能,这样可大大减少元件的数目、电路板面积以及系统的成本,内部有2个定时器,可作为一个具有256个定时器时钟周期的PWM发生器使用[3]。

  LM3402是一款由可控电流源衍生的降压型稳压器,可驱动串联的大功率、高亮度发光二极管串,可以接受范围在6 V~42 V的输入电压。当使用引脚兼容的LM3402HV时,输入电压的上限可达到75 V。根据手术对照度的需要,对转换器的输出电压进行调节,可以维持通过LED阵列的恒定电流水平。图2为LM3402的典型应用电路示意图,其中RSNS 为电流设定电阻,平均电流IF≈0.2/RSNS,RON取值与发光二极管串中的LED数量有关,8个LED时可取值300 kΩ。经检测,恒流标称值为250 mA时(RSNS=0.8 Ω),电流波动在±20 mA以内,完全能够满足手术光感要求[4]。

  

1.4 安全措施

 

  考虑到医用仪器安全要求的特殊性,系统的每一个环节都应该考虑采取相应安全措施。首先,手术室是一个具有强电磁干扰的环境,防止MCU死机十分重要,因此必须采取如下措施:(1)必须认真处理硬件复位电路设计和内部复位程序;(2)必须排除错误干扰信号,所以整个系统采用了完全电气隔离,以阻止电路各部分的相互影响。此外还采用了Modbus冗余校验法;(3)高亮度白色LED的价格较高,为避免损坏,必须排除电网和电源损坏对系统的影响,故本文采用了过压和过流自动保护电路,当电压或电流超过设定值的20%时,系统自动切断电源,以保证系统电路和高亮度LED的安全。

  2 程序设计

  2.1 程序结构

  程序主要包含面板控制器和驱动板两个独立程序。面板控制器程序根据4个按钮的输入状态,向驱动板发送开关或照度调节命令,并将命令状态在8个LED上显示出来。驱动板程序初始化以后,主要通过串行口接收中断接收操作信息,进行Modbus数据冗余校验后,根据命令指示,发出不同的PWM信号。驱动板程序流程框图如图3所示。

  

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  2.2 PWM发生

  高亮度发光二极管串的电流主要通过对LM3402的DIM端口进行PWM调节,实际电流占设定电流值的比例取决于PWM的占空比(duty cycle)。P89LPC932内部定时器T0/T1的PWM输出与计数输入和定时器触发输出占用相同的管脚,发生定时器溢出时自动触发端口输出。此功能通过AUXR1寄存器中的控制位ENT0和ENT1分别使能定时器0和1。该模式打开时,在首次定时器溢出前端口的输出为逻辑1。为了使该模式生效,必须清零C/T位以选择PCLK作为定时器的时钟源。定时器初始化设置参考程序如下:

  void Timer1_init(void)

  {

  TMOD|=0x20; //定时器工作于方式6

  TAMOD|=0x10;

  TH1=256-n; //n为占空比

  AUXR1|=0x20; //定时器使能

  TR1=1; //启动定时器

  }

  其中占空比duty cycle=256-TH1,定时器1的溢出将使P1.2或P0.7端口发生翻转,因此输出频率为定时器1溢出速率的1/2。

  2.3 节能模式

  能耗控制在整个无影灯控制系统中具有十分重要的意义。在多数时间,HBLEDs处于熄灭状态,控制系统处于待机状态,将功耗降低到最低。将电源控制寄存器 PCONA设置为0xFF时,外部功能模块掉电;将电源控制寄存器PCON设置为03H时,可将MCU处于完全掉电状态,只有在中断触发的时候,才能唤醒,随即给外部功能模块上电,MCU开始工作。驱动板上的MCU由串行口接收中断唤醒,面板上的MCU通过键盘中断唤醒,键盘中断参考程序如下:

  void KEY_ISR( ) interrupt 7

  {

  key_push=1; //有键按下标志

  PCONA=0x00; //外部功能模块上电

  KBCON=0x00; //清除键盘中断标志

  }

  中国每年无影灯的市场需求量在2万台以上,同时因低碳经济发展的需求,需要进行节能改造,所以LED无影灯的市场推广前景十分广阔。本文所介绍的LED无影灯技术,目前已经在江苏某知名医疗器械公司投入批量生产,取得了良好的社会效益。

关键字:LM3402  LED  无影灯

编辑:探路者 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/LED/2014/1207/article_11592.html
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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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