CN109802566A - 一种用于医疗设备云系统的直流偏置模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于医疗设备云系统的直流偏置模块。该直流偏置模块适用于特定的医疗设备云系统，且系统中的设备终端包括控制模块、人机交互模块、波形功率放大模块、DDS波形生成模块、直流偏置模块、阻抗检测模块、通信模块和存储模块。本发明实现了界面的智能可调；实现了终端的智能判断；实现大夫的手术器械“随身带”。本发明直流偏置模块适用于特定的医疗设备云系统。

Description

一种用于医疗设备云系统的直流偏置模块

技术领域

本发明属于医疗领域，提供一种用于医疗设备云系统的直流偏置模块。

背景技术

早在1928年，美国人提出利用电灼烧的方式，对人体组织进行蛋白质变性，分解等操作，进而实现切割、凝血等效果。从那时开始，电加热的方式渐渐取代了柳叶刀，开始走进外科手术室。

相对于传统的柳叶刀，电刀、电镊等器械具有切割时能同步凝固蛋白质，出血少等特点，目前在外科手术室中被大量使用。

由于科室的差异、病人的差异、病情的差异等各种原因，导致医院内的电疗设备种类繁多。虽然不同的电疗仪器设备功能类似，但实际操作流程并不相同，尤其是档位和实际效果之间的对应关系相差颇大。这给大夫的使用带来了困难。

根据调研情况，目前针对耳鼻喉科的美国杰西低温等离子，频率100-300KHz，输出功率0-100W；美国ellman射频消融电波刀，频率1.7-3.8MHz，输出功率0-140W；强生豪韵超声止血刀，频率55.5KHz，输出功率0-100W；日本Olympus射频消融仪，频率470KHz，输出功率0-250W；美国valley电刀，频率500KHz，输出功率0-300W。

可见不同的仪器设备，能量的输出的频率和功率范围差异大。带来的问题是大夫需要学习不同仪器设备的操作方式,，尤其是不同的设备在相同的档位下，输出效果的差异，这都给大夫带来了很大的困扰。

就某一台手术来说，大夫需要熟悉不同工作模式下，比如凝血和切割的实际效果区别，同时还要清楚知道不同仪器设备档位输出功率的差别。由于不同的设备适用不同的手术环节，因此在手术间常备多台设备。过多的设备，挤占了手术空间。

如何将不同的设备集成在一起，采用相同的操作方式来应对不同的手术过程，是非常具有挑战性的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于医疗设备云系统的直流偏置模块。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明医疗设备云系统包括设备终端、视频采集设备和云平台服务器，包括设备终端、视频采集设备和云平台服务器；设备终端和视频采集设备相关信息在云平台服务器备份保留；

所述的设备终端包括控制模块、人机交互模块、波形功率放大模块、DDS波形生成模块、直流偏置模块、阻抗检测模块、通信模块和存储模块；

直流偏置模块将输入的市电转换为两类直流电平，其中低压电平用于给控制模块、人机交互模块、DDS波形生成模块供电；另一高压电平用于给波形功率放大模块供电；

控制模块控制DDS波形生成模块输出波形到波形功率放大模块；波形经过波形功率放大模块后的信号Ⅰ传输至待测对象，同时该信号Ⅰ发送至阻抗检测模块，阻抗检测模块对接收到的信号Ⅰ进行模数转换处理后输出信号Ⅱ到控制模块，并存储在存储模块中；控制模块根据信号Ⅱ对直流偏置进行调控，从而控制高压电平的稳定输出；

控制模块与通信模块互通信息，控制模块通过通信模块将存储模块中的数据发送给云平台服务器。

所述的数据有自定义的格式，具体的数据格式包括医生ID、终端模式ID和模式参数；

所述的医生ID唯一；终端模式ID是指设备终端，在实施不同手术时不同参数的设置；模式参数是指选中的模式当前的具体参数，包括电压、电流。

所述的直流偏置模块将输入的市电转换为两类直流电平，其中低压电平用于给控制模块、人机交互模块、DDS波形生成模块供电；另一高压电平用于给波形功率放大模块供电；

高压电平实现如下：220V交流的市电经变压器隔离后连接至桥堆，电压正极接至二极管D1的负端以及二级管D2的正端，二极管D1的正端接至二极管D4的正端以及电容C1的下端，D2的负端接至二极管D3的负端以及电容C1的上端，D3的正端接至D4的负端以及电源输入的负端，电容C2的上端接至电容C1的上端，C2的下端接至电容C1的下端以及地；假负载R1上端接电容C2上端，下端接电容C2下端，后续电路简化为电阻R0，电阻R0上端接电阻R1上端，电阻R0下端接至电阻R1下端；

直流偏置模块的另一部分的低电平具体实现如下：整流桥U1的4脚与3脚分别接至12V交流电压的正负极，整流桥U1的型号为SINB，整流桥U1的2脚接至地，整流桥U1的1脚接至降压芯片U2的Vin脚，降压芯片U2的型号为LM2575S-ADJ电容C3的上端以及电容C4的下端；电容C3与C4的下端均接至地；降压芯片U2的ON/OFF脚与COMMON脚均接至地，降压芯片U2的FEEDBACK脚接至电阻R3、电阻R4的左端，降压芯片U2的OUTPUT脚接至稳压二极管IN5819的上端以及电感L1的左端；稳压二极管D5的下端接至地，稳压二极管D5的型号为IN5819；电感L1的右端接至电容C6和电容C6的上端，电容C5和电容C6的下端均接地；电阻R3的右端接地；电阻R4的右端接电阻R2的左端、Vo端以及电容C6的上端；电阻R2的右端接至发光二极管D6的正极，发光二极管D6的负极接至地；

所述的高压电平工作过程如下：

C1为滤波电解电容，C2为高频滤波无极性电容，R1为伪负载，提供电容放电回路；根据电路工作过程来分析：当输入U_i为正电压时，二极管D2和D4导通，D1和D3截止，此时，脉动电压U1和电容电压U_c存在压差问题，若U1>U_c，脉动电压给电容充电；若U1<U_c，电容经过电阻R放电；同理，当Ui为负电压时，二极管D1和D3导通，D2和D4截止，电路工作过程与上面一致；这说明整个周期内的平均电压即为输出电压U_dc，充放电过程输出为纹波电压，且纹波频率为工频的两倍。

DDS波形生成模块提出采用多个BUCK电路并联，每个BUCK电路的输出电平由控制模块单独进行设置；DDS波形生成模块具体实现如下：市电经过直流偏置模块整流后进入DDS波形生成模块中；直流偏置模块的正端接至DDS波形生成模块中开关管Q1的D脚以及开关管Q3的D脚，开关管Q1的G脚以及开关管Q3的G脚均接至控制模块，由控制模块决定DDS波形生成模块的工作状态；开关管Q1的S脚同时与二极管D8的负极、电感L1的一端相连接；开关管Q3的S脚同时与二极管D7的负极、电感L2的一端相连接；二极管D8和D7的正极均接至直流偏置模块的负端；电感L2的另一端同时与电容C7上端以及开关管Q4的D脚相连接，电感L1的另一端分别与电容C8的上端以及开关管Q2的D脚相连接；开关管Q4和Q2的G脚均接至控制模块，通过控制模块控制开关管的通断；开关管Q4和Q2的S脚均接至待测对象的正端；电容C7和C8的下端以及待测对象的负端均接至整流模块的负极；

所述的BUCK电路用于实现电压的降压输出，具体实现如下：直流电源U_DC的正端接开关管Q的D脚，开关管的S脚接二极管D的负端以及电感L的左端，二极管D的正端与直流电源U_DC的负端相连，电感L的右端与电容C的上端相连，电容C的下端与直流电源U_DC的负端相连；假负载R的上端与电感L的右端以及电容C的上端相连，其下端与直流电源的负端相连；

DDS波形生成模块的工作过程如下：

通过MOS开关管Q的开关特性实现斩波降压输出，当开关管Q开通时，输入电压对电感L、电容C充电，为输出提供能量；当开关管Q关断时，电感L通过二极管D形成续流回路，维持输出；

控制模块能够通过控制开关管Q1、Q3多条并联BUCK电路上的开关管来控制BUCK电路的后续输出电压，再通过控制开关管Q2、Q4的通断来实现每一条支路的开启与否，实现任意波形的输出。

通过DDS波形生成模块产生特定的波形后，进入波形功率放大模块进行功率放大，波形功率放大模块具体实现如下：直流偏置模块的高电平部分U_DC的正端接至开关管Q3、Q4、Q5的D脚；开关管Q3、Q5、Q8和Q9的G脚均接至DDS，由控制模块中的FPGA控制模块来控制开关管Q3、Q5、Q8和Q9的通断；开关管Q3的S脚接至开关管Q6的D脚和超声换能器的正端；开关管Q5的S脚接至开关管Q7的D脚以及超声换能器的负端；开关管Q6、Q7、Q4的G脚均接至控制模块，由控制模块控制开关管Q6、Q7、Q4的通断；开关管Q6的S脚接至开关管Q8的D脚，开关管Q7的S脚接至开关管Q9的D脚；开关管Q4的S脚接至待测对象的输入正端；待测对象的输入负端接至开关管Q8的负端、开关管Q9的负端和供电模块的负端；超声换能器的输出正负端分别接至待测对象的输入正负端；

波形功率放大模块中开关管Q3、Q9适合高频段的信号，型号选取为ARF465AG-ND，开关管Q5、Q8适合放大低频段的信号，开关管型号选取为K1358；其余开关管均选取为K1358，超声换能器的型号为HNM-8SE-1655；

波形功率放大模块的工作状态如下：

工作状态a下，控制模块控制开关管Q7断开，其他由控制模块控制的开关管均闭合，处于交流工作状态下，此时高频低频均可通过，设备适合工作在中频下；

工作状态b下，控制模块控制开关管Q6、Q7断开，其他由控制模块控制的开关管均闭合，此时设备处于直流工作模式下，适用于病人的理疗需求；

工作状态c下，控制模块控制开关管Q4、Q6断开，其他由控制模块控制的开关管均闭合，此时设备处于高频工作模式下，设备适合工作在高频下；

工作状态d下，控制模块控制开关管Q4、Q7断开，其他由控制模块控制的开关管均闭合，此时设备处于低频工作模式下，设备适合工作在低频下。

阻抗检测模块具体实现如下：市电经过直流偏置模块后进入阻抗检测模块；直流偏置模块的正端就接开关管Q10的D脚，开关管Q10的G脚接控制模块，由控制模块控制开关管Q10的通断；开关管Q10的S脚接二极管D9的负端、二极管D10的正端、电感L3的左端；二极管D9的正端接至直流偏置模块的负端；电感L3的右端接电容C9的上端，电阻R5的上端以及波形功率放大模块的输入正端；电阻R5的下端接至电阻R6的上端以及控制模块；电容C9、电阻R6的下端均接直流偏置模块的负端；二极管D10的负端接电阻R7的上端以及待测对象的输入正端；电阻R7的下端接至电阻R8的上端以及控制模块；电阻R8接待测对象的负端、电阻R9的右端以及电阻R11的上端；电阻R9的左端接至波形功率放大模块的输出负端以及电阻R10的上端；波形功率放大模块的输出正端接待测对象的输入正端；电阻R10的下端接至运放U3的正极，电阻R11下端接至运放U3的负端；运放U3的电压输入端接至5V的恒压源，接地端接地，运放的输出端接至控制模块。

控制模块主要由两部分构成，包括负责产生DDS信号的FPGA控制模块和进行信号处理以及部分信号输出的单片机模块；

其中单片机模块的单片机型号选择为C8051F020，具体电路如下：

3.3V辅助电源经电阻R12连接至单片机U4的RST引脚，该引脚又经电容C10接地；单片机U4的AV+脚接3.3V辅助电源，AGND脚均接至地；单片机U4的VREF0、VREF1、VREFD引脚经电容C11接至地，同时单片机U4的VREF0、VREF1、VREFD引脚经电容C12接至地；单片机U4的XTAL1脚经电容C13接地，单片机U4的XTAL2经电容C14接地；单片机U4的MONEN脚接3.3V辅助电源；单片机U4的VDD脚接至3.3V辅助电源；单片机U4的VGND脚接地；单片机U4的P0.5脚经电容C15接地；单片机U4的P6.5脚接T1，单片机U4的P6.6脚接T2，单片机U4的P6.7脚接至T3，单片机U4的P7.0脚接至T4，单片机U4的P7.1脚接至T9，单片机U4的P7.2脚接至T10，单片机U4的P7.3脚接至T11，单片机U4的P7.4脚接至T12，单片机U4的P7.5脚接至T13，单片机U4的P7.6脚接至T14，单片机U4的P7.7脚接至T15；

由信号T1、T2、T3和T4控制DDS波形生成模块中开关管的工作状态；

由信号T9、T10和T11控制波形功率放大模块中开关管的工作状态；

由信号T13、T14和T15接收来自阻抗检测模块的信号，并经过数据处理后输出信号T12控制阻抗检测模块中的开关管状态；

控制模块中FPGA控制模块中FPGA的型号选择为EPM570T100C5N，具体实现如下：

3.3V辅助电源接至芯片U6的VCCIO1脚，U6的GNDIO和GNDINT脚均接至地；U5为晶振，U6的IO/GCLK1脚经电阻R13接至晶振U4的CLKout脚，晶振U4的GND脚接至地，晶振U4的VCC脚经电感L3接至辅助电源3.3V，又经电容C16接至地；芯片U6的VCCIO1脚接至辅助电源3.3V，芯片U6的GNDIO脚接至地；芯片U6的GNDINT脚经电阻R14接至地，芯片U6的VCCINT经电阻R15接至辅助电源3.3V；芯片U6的GNDIO脚接至地，芯片U6的VCCIO脚接至辅助电源3.3V；芯片U6的VCCIO2脚接至辅助电源3.3V；芯片U6的GNDINT脚经电阻R14接至地，芯片U6的VCCINT经电阻R15接至辅助电源3.3V；

芯片U6输出的信号T5、T6、T7和T8分别控制波形功率放大模块开关管Q3、Q5、Q8和Q9的工作状态来功放放大的波段。

本发明具有以下技术效果：

(1)实现了界面的智能可调：能量输出终端的界面，可通过网传数据或者终端本身设置不同人机交互界面，模拟不同设备的操作界面；

(2)实现了终端的智能判断：通过视频采集系统采集的情况，和大夫术后的评价体系相结合，系统能自动学习和记住，不同档位和手术效果适用的情况。手术效果的评价主要为组织的宽、深、长，完成相应效果的时间。手术效果的评价由做术后大夫做出；

(3)实现大夫的手术器械“随身带”：大夫进入新的手术室，无需重新设置新的终端，只需通过云平台，将根据记录的大夫对于终端设备档位设置和使用情况，本次手术内容，既可远程设置终端，实现大夫的手术器械“随身带”。

(4)方便完成教学：可以方便一旦完成手术器械通过网络和终端本地设置等方式，可以方便的调整每个档位的输出功率、电压、电流和模式。

附图说明

图1为本发明医疗设备云系统总体结构图；

图2为本发明设备终端示意图；

图3为本发明直流偏置模块高电平电路结构示意图；

图4为本发明直流偏置模块的低电平电路结构示意图；

图5为本发明DDS波形生成模块电路结构示意图；

图6为本发明控制模块控制的多个并联BUCK电路结构示意图；

图7(a)为本发明BUCK电路的工作状态1；

图7(b)为本发明BUCK电路的工作状态2；

图8为波形功率放大模块的电路结构示意图；

图9(a)、9(b)、9(c)、9(d)为波形功率放大模块的工作状态示意图；

图10为阻抗检测模块的电路结构示意图；

图11为本发明控制模块中单片机部分的电路结构示意图；

图12为本发明控制模块中FPGA控制模块电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种用于医疗设备云系统的直流偏置模块，一种用于医疗设备云系统包括设备终端、视频采集设备和云平台服务器；设备终端和视频采集设备相关信息在云平台服务器备份保留。

所述的设备终端包括控制模块、人机交互模块、波形功率放大模块、DDS波形生成模块、直流偏置模块、阻抗检测模块、通信模块和存储模块。

直流偏置模块将输入的市电转换为两类直流电平，其中低压电平用于给控制模块、人机交互模块、DDS波形生成模块供电；另一高压电平用于给波形功率放大模块供电；

控制模块控制DDS波形生成模块输出波形到波形功率放大模块；波形经过波形功率放大模块后的信号Ⅰ传输至待测对象，同时该信号Ⅰ发送至阻抗检测模块，阻抗检测模块对接收到的信号Ⅰ进行模数转换处理后输出信号Ⅱ到控制模块，并存储在存储模块中；控制模块根据信号Ⅱ对直流偏置进行调控，从而控制高压电平的稳定输出；

控制模块与通信模块互通信息，控制模块通过通信模块将存储模块中的数据发送给云平台服务器；

所述的数据有自定义的格式，具体的数据格式包括医生ID、终端模式ID和模式参数；

所述的医生ID唯一；终端模式ID是指设备终端，在实施不同手术时不同参数的设置；模式参数是指选中的模式当前的具体参数，包括电压、电流等。

如图2所示，本发明系统电源由市电提供，先通过直流偏置模块进行整流，并根据不同的电压需求调整电压。调整后的电压输出到控制模块、DDS波形生成模块、波形功率放大模块、人机交互模块、通信模块和存储模块用以提供电源。其中DDS波形生成模块和波形功率放大模块的工作均由控制模块控制。DDS波形生成模块经波形功率放大模块放大后输送至待测对象，待测对象上的阻抗检测模块将反馈信号输送至控制模块进行数据处理。控制模块负责与人机交互模块，通信模块，存储模块进行信息交互。各个模块的介绍如下。

直流偏置模块将输入的市电转换为两类直流电平，其中低压电平用于给控制模块、人机交互模块、DDS波形生成模块供电；另一高压电平用于给波形功率放大模块供电。

其中高压电平的电路图如图3所示。220V交流的市电经变压器隔离后连接至桥堆，电压正极接至二极管D1的负端以及二级管D2的正端，二极管D1的正端接至二极管D4的正端以及电容C1的下端，D2的负端接至二极管D3的负端以及电容C1的上端，D3的正端接至D4的负端以及电源输入的负端，电容C2的上端接至电容C1的上端，C2的下端接至电容C1的下端以及地。假负载R1上端接电容C2上端，下端接电容C2下端，后续电路简化为电阻R0，电阻R0上端接电阻R1上端，电阻R0下端接至电阻R1下端。

考虑到本设计前级接了工频隔离变压器，为了不增加变压器额外成本，不选择全波整流方式。为了提高输出效率，这里选择桥式整流最为合适。选用的桥堆型号为KBU810。而且工频整流二极管价格很低，成本问题可忽略。

该高压电平工作过程如下：

C1为滤波电解电容，C2为高频滤波无极性电容，R1为伪负载，提供电容放电回路。根据电路工作过程来分析：当输入U_i为正电压时，二极管D2和D4导通，D1和D3截止，此时，脉动电压U1和电容电压U_c存在压差问题，若U1>U_c，脉动电压给电容充电；若U1<U_c，电容经过电阻R放电。同理，当Ui为负电压时，二极管D1和D3导通，D2和D4截止，电路工作过程与上面一致。这说明整个周期内的平均电压即为输出电压U_dc，充放电过程输出为纹波电压，且纹波频率为工频的两倍。

直流偏置模块的另一部分的低电平电路结构如图4所示。整流桥U1的4脚与3脚分别接至12V交流电压的正负极，整流桥U1的型号为SINB，整流桥U1的2脚接至地，整流桥U1的1脚接至降压芯片U2的Vin脚，降压芯片U2的型号为LM2575S-ADJ电容C3的上端以及电容C4的下端。电容C3与C4的下端均接至地。降压芯片U2的ON/OFF脚与COMMON脚均接至地，降压芯片U2的FEEDBACK脚接至电阻R3、电阻R4的左端，降压芯片U2的OUTPUT脚接至稳压二极管IN5819的上端以及电感L1的左端。稳压二极管D5的下端接至地，稳压二极管D5的型号为IN5819；电感L1的右端接至电容C6和电容C6的上端，电容C5和电容C6的下端均接地。电阻R3的右端接地。电阻R4的右端接电阻R2的左端、Vo端以及电容C6的上端。电阻R2的右端接至发光二极管D6的正极，发光二极管D6的负极接至地。

其中电容均选择普通的0805封装贴片电容。

控制电路中用到很多集成芯片，需要一系列电源供电。常见的有分立开关电源供电和集成电源芯片供电两种：

分析整个电路集成芯片，低压电平用于给控制模块、人机交互模块、DDS波形生成模块供电，所以这里总共需要产生三个电源。若采用分离电源实现，无疑增加电路的复杂度和不稳定性，结合前端使用了工频隔离变压器，这里选择降压式集成开关电源芯片较为恰当。

此处采用了TI公司的LM2575-ADJ，一款输出可变的BUCK降压式电源管理IC作为开关电源控制芯片。

工频隔离变压器降压得到12V交流电作为电源输入，经过S1NB桥式整流桥堆后得到17V作为LM2575的直流输入，C5为输入滤波电容，D5为续流二极管，为保证速度一般取肖特基二极管，L1为滤波电感，C6为滤波电容，C7为稳压电容，R3、R4组成电压反馈回路。D6为发光二极管，用于判断降压电路是否正常工作

根据其他模块所需电压的不同，可分别采用不同的开关电源控制芯片，本设计中还采用了LM2575-3.3V，LM2575-5.0V分别提供5V和3.3V的电压。

DDS波形生成模块需要将不同频率、功率的输出的设备在一台设备上呈现出来，需要克服频率和功率跨度大的问题。面对这个问题，提出采用多个BUCK电路并联，每个BUCK电路的输出电平，在控制模块的控制下，单独进行设置。BUCK电路模块后是逆变开关。逆变开关在控制器的控制下(PWM和PFM控制)，生成一定周期和脉宽的脉冲序列。不同的逆变开关，周期和脉冲序列不同。最终的输出波形，由不同的脉冲序列组合而成。

控制模块采用编码的方式，控制电路中不同位置逆变开关的周期、脉宽和启动时延。控制电路根据需要输出的波形，按照算法模型来设定不同位置的逆变开关的周期、脉宽和启动延时，实现任意波形的输出。

DDS波形生成模块基本电路结构如图5所示。市电经过直流偏置模块整流后进入DDS波形生成模块中。直流偏置模块的正端接至DDS波形生成模块中开关管Q1的D脚以及开关管Q3的D脚，开关管Q1的G脚以及开关管Q3的G脚均接至控制模块，由控制模块决定DDS波形生成模块的工作状态。开关管Q1的S脚同时与二极管D8的负极、电感L1的一端相连接；开关管Q3的S脚同时与二极管D7的负极、电感L2的一端相连接；二极管D8和D7的正极均接至直流偏置模块的负端。电感L2的另一端同时与电容C7上端以及开关管Q4的D脚相连接，电感L1的另一端分别与电容C8的上端以及开关管Q2的D脚相连接；开关管Q4和Q2的G脚均接至控制模块，通过控制模块控制开关管的通断。开关管Q4和Q2的S脚均接至待测对象的正端。电容C7和C8的下端以及待测对象的负端均接至整流模块的负极。

其中电容均选择大容量的CBB电容。开关管型号选取为K1358。

市电经过直流偏置模块整流后进入由控制模块控制的多个并联BUCK电路中。BUCK的基本电路原理图如图6所示。BUCK电路的主要功能就是实现电压的降压输出，其基本电路原理图如图6所示。直流电源U_DC的正端接开关管Q的D脚，开关管的S脚接二极管D的负端以及电感L的左端，二极管D的正端与直流电源U_DC的负端相连，电感L的右端与电容C的上端相连，电容C的下端与直流电源U_DC的负端相连。假负载R的上端与电感L的右端以及电容C的上端相连，其下端与直流电源的负端相连。

通过MOS开关管Q的开关特性实现斩波降压输出。根据开关情况可分为两种工作状态，如图7所示，当开关管Q开通时，输入电压对电感L、电容C充电，为输出提供能量；当开关管Q关断时，电感L通过二极管D形成续流回路，维持输出。

控制模块能够通过控制开关管Q1、Q3等多条并联BUCK电路上的开关管来控制BUCK电路的后续输出电压，再通过控制开关管Q2、Q4等的通断来每一条支路的开启与否，实现任意波形的输出。

通过DDS波形生成模块产生特定的波形后，进入波形功率放大模块进行功率放大。波形功率放大模块的电路原理图如图8所示。直流偏置模块的高电平部分U_DC的正端接至开关管Q3、Q4、Q5的D脚。开关管Q3、Q5、Q8和Q9的G脚均接至DDS，由控制模块中的FPGA控制模块来控制开关管Q3、Q5、Q8和Q9的通断。开关管Q3的S脚接至开关管Q6的D脚和超声换能器的正端。开关管Q5的S脚接至开关管Q7的D脚以及超声换能器的负端。开关管Q6、Q7、Q4的G脚均接至控制模块，由控制模块控制开关管Q6、Q7、Q4的通断。开关管Q6的S脚接至开关管Q8的D脚，开关管Q7的S脚接至开关管Q9的D脚。开关管Q4的S脚接至待测对象的输入正端。待测对象的输入负端接至开关管Q8的负端、开关管Q9的负端和供电模块的负端。超声换能器的输出正负端分别接至待测对象的输入正负端。

波形功率放大模块中开关管Q3、Q9适合高频段的信号，型号选取为ARF465AG-ND，开关管Q5、Q8适合放大低频段的信号，开关管型号选取为K1358。其余开关管均选取为K1358，超声换能器的型号为HNM-8SE-1655。

波形功率放大模块提出采用四个功率管，构成一个功率放大功能，通过控制开关管子间的电控开关(低功耗的场效应管来充当)，改变上下管之间的连接方式，来适应不同频率和功率放大的需要。交流信号通过超声换能器进行储能，在采用交流信号工作时达到更好的效果，同时该模块也提供了直流工作模式，可用于理疗。

波形功率放大模块的工作状态由图9所示。

工作状态a下，控制模块控制开关管Q7断开，其他由控制模块控制的开关管均闭合，处于交流工作状态下，此时高频低频均可通过，设备适合工作在中频下。

工作状态b下，控制模块控制开关管Q6、Q7断开，其他由控制模块控制的开关管均闭合，此时设备处于直流工作模式下，适用于病人的理疗需求。

工作状态c下，控制模块控制开关管Q4、Q6断开，其他由控制模块控制的开关管均闭合，此时设备处于高频工作模式下，设备适合工作在高频下。

工作状态d下，控制模块控制开关管Q4、Q7断开，其他由控制模块控制的开关管均闭合，此时设备处于低频工作模式下，设备适合工作在低频下。

关于阻抗检测模块，本发明采用直流偏置模块中开关电源开关切换后，未经滤波的波形，滤除直流分量后，作为阻抗测试交流源，通过检测电压电流的波形，统计频率等方式，直接调控输出电平作为阻抗测试信号源输入到待测对象，经过回流回路中的电流、电压采样后送到控制模块，控制模块将检测到的信息经计算后，存储到存储器中。一路去调控直流偏置模块里面开关电源，以实现实时的控制。阻抗检测模块电路图如图10所示。

市电经过直流偏置模块后进入阻抗检测模块。直流偏置模块的正端就接开关管Q10的D脚，开关管Q10的G脚接控制模块，由控制模块控制开关管Q10的通断。开关管Q10的S脚接二极管D9的负端、二极管D10的正端、电感L3的左端。二极管D9的正端接至直流偏置模块的负端。电感L3的右端接电容C9的上端，电阻R5的上端以及波形功率放大模块的输入正端。电阻R5的下端接至电阻R6的上端以及控制模块。电容C9、电阻R6的下端均接直流偏置模块的负端。二极管D10的负端接电阻R7的上端以及待测对象的输入正端。电阻R7的下端接至电阻R8的上端以及控制模块。电阻R8接待测对象的负端、电阻R9的右端以及电阻R11的上端。电阻R9的左端接至波形功率放大模块的输出负端以及电阻R10的上端。波形功率放大模块的输出正端接待测对象的输入正端。电阻R10的下端接至运放U3的正极，电阻R11下端接至运放U3的负端。运放U3的电压输入端接至5V的恒压源，接地端接地，运放的输出端接至控制模块。

其中电容C9选定为电解电容，开关管型号选取为K1358。

市电经过直流偏置模块整流滤波后输送到一个由控制模块控制的BUCK电路中，再经过波形功率放大模块波形功率放大后输送到待测对象中。

电路总共经过两次电压检测和一次电流检测。第一次电压检测通过将电阻R5和R6间的电压由信号T13输送到检测模块中，从而得到信号在经过波形功率放大模块之前的电压情况，控制模块通过信号T12控制开关管Q10管实现调节。

第二次电压检测通过将电阻R7和R8间的电压由信号T14输送到控制模块中，从而得到信号在经过波形功率放大模块之后的电压情况，也就是在待测对象上的电压情况，控制模块也通过控制Q10管实现调节。

待测对象上的电流检测通过电阻R9、R10、R11和运放等实现，并将结果由信号T15输送到控制模块中再加以调节开关管Q10的开关状态得以保持输出的稳定。

控制模块主要由两部分构成，包括负责产生DDS信号的FPGA控制模块和进行信号处理以及部分信号输出的单片机模块。

其中单片机模块的电路图如图11所示。单片机型号选择为C8051F020。

3.3V辅助电源经电阻R12连接至单片机U4的RST引脚，该引脚又经电容C10接地。单片机U4的AV+脚接3.3V辅助电源，AGND脚均接至地。单片机U4的VREF0、VREF1、VREFD引脚经电容C11接至地，同时单片机U4的VREF0、VREF1、VREFD引脚经电容C12接至地。单片机U4的XTAL1脚经电容C13接地，单片机U4的XTAL2经电容C14接地。单片机U4的MONEN脚接3.3V辅助电源。单片机U4的VDD脚接至3.3V辅助电源。单片机U4的VGND脚接地。单片机U4的P0.5脚经电容C15接地。单片机U4的P6.5脚接T1，单片机U4的P6.6脚接T2，单片机U4的P6.7脚接至T3，单片机U4的P7.0脚接至T4，单片机U4的P7.1脚接至T9，单片机U4的P7.2脚接至T10，单片机U4的P7.3脚接至T11，单片机U4的P7.4脚接至T12，单片机U4的P7.5脚接至T13，单片机U4的P7.6脚接至T14，单片机U4的P7.7脚接至T15。

其中电容均选择普通的0805封装贴片电容。

由信号T1、T2、T3和T4控制DDS波形生成模块中开关管的工作状态，并且可随实际需要添加更多控制信号输出，用以产生更为复杂的波形。

由信号T9、T10和T11控制波形功率放大模块中开关管的工作状态。

由信号T13、T14和T15接收来自阻抗检测模块的信号，并经过数据处理后输出信号T12控制阻抗检测模块中的开关管状态。

控制模块中FPGA控制模块如图12所示。FPGA的型号选择为EPM570T100C5N。

3.3V辅助电源接至芯片U6的VCCIO1脚，U6的GNDIO和GNDINT脚均接至地。U5为晶振，U6的IO/GCLK1脚经电阻R13接至晶振U4的CLKout脚，晶振U4的GND脚接至地，晶振U4的VCC脚经电感L3接至辅助电源3.3V，又经电容C16接至地。芯片U6的VCCIO1脚接至辅助电源3.3V，芯片U6的GNDIO脚接至地。芯片U6的GNDINT脚经电阻R14接至地，芯片U6的VCCINT经电阻R15接至辅助电源3.3V。芯片U6的GNDIO脚接至地，芯片U6的VCCIO脚接至辅助电源3.3V。芯片U6的VCCIO2脚接至辅助电源3.3V。芯片U6的GNDINT脚经电阻R14接至地，芯片U6的VCCINT经电阻R15接至辅助电源3.3V。

其中电容均选择普通的0805封装贴片电容。

芯片U6输出的信号T5、T6、T7和T8分别控制波形功率放大模块开关管Q3、Q5、Q8和Q9的工作状态来功放放大的波段。

本系统的人机交互模块采用通用的按键以及液晶屏，通过按键设置系统的工作状态，包括输出电压，输出电流，输出波形，并将当前工作状态显示在液晶屏中，用以实时观测。

本系统的通信模块采用常用的无线通信模块，将实时数据自动上传到云平台服务器中，与此同时也能调取云平台服务器中存储的数据，直接应用于本系统中。

本系统的存储模块采用通用的存储器。

Claims (2)

1.一种用于医疗设备云系统的直流偏置模块，其特征在于该直流偏置模块适用于特定的医疗设备云系统，且系统中的设备终端还包括人机交互模块、波形功率放大模块、DDS波形生成模块、阻抗检测模块、通信模块和存储模块；；

直流偏置模块将输入的市电转换为两类直流电平，其中低压电平用于给控制模块、人机交互模块、DDS波形生成模块供电；另一高压电平用于给波形功率放大模块供电；

控制模块控制DDS波形生成模块输出波形到波形功率放大模块；波形经过波形功率放大模块后的信号Ⅰ传输至待测对象，同时该信号Ⅰ发送至阻抗检测模块，阻抗检测模块对接收到的信号Ⅰ进行模数转换处理后输出信号Ⅱ到控制模块，并存储在存储模块中；控制模块根据信号Ⅱ对直流偏置进行调控，从而控制高压电平的稳定输出；

控制模块与通信模块互通信息，控制模块通过通信模块将存储模块中的数据发送给云平台服务器；

所述的直流偏置模块将输入的市电转换为两类直流电平，其中低压电平用于给控制模块、人机交互模块、DDS波形生成模块供电；另一高压电平用于给波形功率放大模块供电；

高压电平实现如下：220V交流的市电经变压器隔离后连接至桥堆，电压正极接至二极管D1的负端以及二级管D2的正端，二极管D1的正端接至二极管D4的正端以及电容C1的下端，D2的负端接至二极管D3的负端以及电容C1的上端，D3的正端接至D4的负端以及电源输入的负端，电容C2的上端接至电容C1的上端，C2的下端接至电容C1的下端以及地；假负载R1上端接电容C2上端，下端接电容C2下端，后续电路简化为电阻R0，电阻R0上端接电阻R1上端，电阻R0下端接至电阻R1下端；

直流偏置模块的另一部分的低电平具体实现如下：整流桥U1的4脚与3脚分别接至12V交流电压的正负极，整流桥U1的型号为SINB，整流桥U1的2脚接至地，整流桥U1的1脚接至降压芯片U2的Vin脚，降压芯片U2的型号为LM2575S-ADJ电容C3的上端以及电容C4的下端；电容C3与C4的下端均接至地；降压芯片U2的ON/OFF脚与COMMON脚均接至地，降压芯片U2的FEEDBACK脚接至电阻R3、电阻R4的左端，降压芯片U2的OUTPUT脚接至稳压二极管IN5819的上端以及电感L1的左端；稳压二极管D5的下端接至地，稳压二极管D5的型号为IN5819；电感L1的右端接至电容C6和电容C6的上端，电容C5和电容C6的下端均接地；电阻R3的右端接地；电阻R4的右端接电阻R2的左端、Vo端以及电容C6的上端；电阻R2的右端接至发光二极管D6的正极，发光二极管D6的负极接至地。

2.根据权利要求1所述的一种用于医疗设备云系统的直流偏置模块，其特征在于所述的高压电平工作过程如下：

C1为滤波电解电容，C2为高频滤波无极性电容，R1为伪负载，提供电容放电回路；根据电路工作过程来分析：当输入U_i为正电压时，二极管D2和D4导通，D1和D3截止，此时，脉动电压U1和电容电压U_c存在压差问题，若U1>U_c，脉动电压给电容充电；若U1<U_c，电容经过电阻R放电；同理，当Ui为负电压时，二极管D1和D3导通，D2和D4截止，电路工作过程与上面一致；这说明整个周期内的平均电压即为输出电压U_dc，充放电过程输出为纹波电压，且纹波频率为工频的两倍。