王? 婉，劉? 敏，劉振洗 （中國電子科技集團公司?第四十一研究所，安徽?蚌埠?233010）
摘? 要：本文首先介紹了紅外偏振光治療儀光源控制模塊的硬件設計方案，主要包括光源控制模塊的組成及實 現(xiàn)方法。然后講解了光源控制各子模塊的軟件設計，詳細描述了數(shù)字電位器改變光功率大小的控制過程； 間 斷模式治療時通過改變MCU的I/O口電平實現(xiàn)光源的接通、斷開處理，使用MCU的計時器功能對光源的通、 斷狀態(tài)進行計時；低溫環(huán)境時，在光源兩端生成階梯狀上升的電壓，解決電路中沖擊電流過大的問題；治療儀 溫度過高時，溫控開關對設備的保護處理過程。最后，對紅外偏振光治療儀光源控制的研制成果進行總結。 

關鍵詞：紅外偏振光治療儀；光源控制；光功率；沖擊電流；過溫保護

0  引言 

紅外偏振光治療儀是一種將偏振光與近紅外光譜 有效整合，作用于人體相應的疼痛部位和穴位，實現(xiàn) 臨床疼痛治療的儀器。采用最新光電技術^[1]，在波長為 (0.6~1.6) μm的范圍內(nèi)，輸出光波功率高達2.2 W，對人 體組織的有效透射深度達5 cm以上，在治療上實現(xiàn)深淺 組合，點面組合，可對人體炎癥、神經(jīng)性、創(chuàng)傷性疾患 進行有效的無創(chuàng)治療。 

紅外偏振光治療儀是由日本東京醫(yī)研株式會社研制 的新型光療儀器^[2]，由于該設備的高效治愈性及廣泛的 應用性而倍受青睞，在日本醫(yī)學各領域，獲得了很高的 評價。紅外偏振光技術在中國還是屬于一種較新的技 術，目前市場上只有幾家醫(yī)用紅外偏振光治療儀產(chǎn)品， 家用市場尚屬空白。本文研制的新型家用紅外偏振光治 療儀，是順應當前醫(yī)療產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的新型家用光療 儀器。

1  硬件設計 

紅外偏振光治療儀的關鍵技術就是光源控制，如圖 1所示為光源控制模塊的硬件原理圖。光源控制模塊由 醫(yī)療型適配器、主控電源、溫控開關、光控電源、數(shù)字 電位器和外圍電路組成。適配器實現(xiàn)220 V AC—12 V DC的轉換，為整個系統(tǒng)供電。光控電源的ON/OFF端通 過MCU的I/O口進行關斷、接通控制，實現(xiàn)光源的間斷 模式輸出；光控電源的輸出電壓由MCU控制的數(shù)字電 位器進行分檔調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)光功率的控制。溫控開關 實現(xiàn)超溫保護功能，當機殼內(nèi)部溫度超限時切斷光控電 源供電，防止意外事故。光控電源的輸出電流過大時， 保險絲會切斷，對光源起到保護作用。

2  軟件設計 

紅外偏振光治療儀系統(tǒng)軟件是基于 STM32 平臺開 發(fā)的，本系統(tǒng)需要實現(xiàn)光源的光功率大小控制、通斷控 制、預熱處理和過溫保護等功能。通過MCU控制數(shù)字 電位器的輸出電阻，改變光控電源的輸出電壓，實現(xiàn)光 功率大小控制；通過改變MCU的I/O口電平控制光控電 源的ON/OFF端口，實現(xiàn)光源輸出的開啟和關閉；通過 控制光源兩端的輸出電壓呈階梯狀上升實現(xiàn)光源預熱處 理；通過采用外部中斷對溫控開關進行狀態(tài)監(jiān)測實現(xiàn)過 溫保護功能。 

2.1 光功率調(diào)節(jié) 

通過MCU控制AD5243數(shù)字電位器的輸出電阻， 改變光控電源MQ7250的輸出電壓，實現(xiàn)光功率大小 控制。 

AD5243數(shù)字電位器兼容I2C通信接口，可以實現(xiàn)與 機械電位計或可變電阻器一樣的電子調(diào)節(jié)功能。本文使 用MCU上2個通用I/O端口模擬I2C總線接口，實現(xiàn)對數(shù) 字電位器的讀、寫數(shù)據(jù)以及控制操作。 

I²C^[3]總線是一種具備總線裁決和 高低速器件同步功能的高性能串行總 線。它只有兩根雙向信號線，即數(shù)據(jù) 線SDA和時鐘線SCL。I2C總線接口數(shù) 據(jù)通信協(xié)議部分的條件狀態(tài)主要包括 I2C總線接口的起始條件、停止條件、 應答、無應答、等待應答等。 

向AD5243寫數(shù)據(jù)：首先主機通 過發(fā)送起始信號來啟動數(shù)據(jù)傳輸，即 當SCL為高電平時，SDA從高電平變 為低電平。然后發(fā)送7位從地址，并 等待確認信號。接著發(fā)送通道編碼， 選擇通過1或通道2，等待確認信號。 最后通過串行總線傳輸1個字節(jié)的數(shù) 據(jù)，該總線具有9個時鐘脈沖的序列 （8個數(shù)據(jù)位，然后是確認位）。 

從AD5243讀數(shù)據(jù)：與寫數(shù)據(jù)不同 的是數(shù)據(jù)字節(jié)緊跟在從機地址字節(jié)的 確認信號之后。

當讀取或寫入所有數(shù)據(jù)位后，由主機建立停止條 件，即當SCL為高電平時，SDA從低電平變?yōu)楦唠娖健?具體通信過程如圖2所示。 

2.2 光源通斷處理 

為了增加治療效果，避免長時間照射人體組織易產(chǎn) 生適應性的缺點，家用型紅外偏振光治療儀設計兩種治 療模式，分別是連續(xù)模式和周期模式。對于不同的治療 模式，光源的輸出方式有所不同。 

1）連續(xù)模式 

連續(xù)模式照射時按設置參數(shù)一直輸出，中途不間斷 照射。輸出功率強度分高、中、低三檔，治療時間分 5、10、15 min。 

2）間斷模式 

間斷模式按照射時間、間斷時間間隔運行。輸 出功率強度分高、中、低三檔，治療時間分5、10、 15 min，固定照射時間為5 s，間斷時間為2 s。治療時， 輸出功率可以改變。 

針對間斷模式，通過改變MCU的I/O口電平控制光控電源的ON/OFF端口，實現(xiàn)光源輸出的開啟和關閉。 采用定時器^[4]，對光源點亮階段和熄滅階段進行計時， 并在計時結束時，處理光源開關和控制參數(shù)的改變，具 體如圖3所示。

2.3 光源預熱處理 

紅外偏振光治療儀輸出的光功率在兩種治療模式下 分三檔可調(diào)，通過改變光源兩端的輸出電壓實現(xiàn)光功 率的調(diào)節(jié)。實際測試發(fā)現(xiàn)光源在冷態(tài)時實際電阻很低， 如果開機瞬間直接在光源兩端加上目標電壓，電路會產(chǎn) 生很高的沖擊電流，使電源模塊產(chǎn)生過流保護而關斷供 電，光源無法點亮。測試結果如圖4所示，其中綠線表 示電流，黃線表示電壓。因此考慮對光源兩端加上一系 列階梯形上升的電壓，每個階梯電壓保持固定時間，光 源經(jīng)過預熱電阻逐步提高。這樣使光源從較低的安全電 壓啟動，逐級提高到目標電壓，在每一級電壓有足夠的 時間使沖擊電流降低，起到限流的作用，從而降低沖擊 電流對電路的影響并且延長了光源的使用壽命。測試結 果如圖5所示，通過逐級增壓方式，電流逐級降低，最 后保持平穩(wěn)。

2.4 過溫保護 

紅外偏振光治療儀發(fā)出的光波透射到人體組織內(nèi)被 吸收，但是人體對外界的認識刺激都是有感知的，會有 耐熱范圍，治療時不能超過人體所能承受的最高溫度。 選用溫控開關安放在高分子碘光源附近，及時感知設備 內(nèi)部溫度，溫度一旦超過了標準中規(guī)定的限值，溫度過 載保護裝置就應啟動，進而切斷光源供電，發(fā)出警報， 對患者起到安全保護作用。 

采用外部中斷對溫控開關^[5]進行狀態(tài)監(jiān)測， GPIO用 作外部中斷(EXTI)源的輸入端，通過GPIO檢測輸入脈 沖，引起中斷事件，打斷原來的代碼執(zhí)行流程，進入到 中斷服務函數(shù)中進行處理，處理完后再返回到中斷之前 的代碼中執(zhí)行。

EXTI中斷向量的服務函數(shù)處理過程如圖6所示。治 療過程中，若設備內(nèi)部溫度超過限值，溫控開關斷開， 光源部分供電中斷，立即停止治療，進入故障狀態(tài)，顯 示視覺報警信息。若檢測到溫控開關吸合，溫度傳感器 測得的溫度小于門限值，且當前未處于治療狀態(tài)，消除 報警信息，設備顯示設置參數(shù)，若當前測得的溫度小于風扇停止的溫度閾值，則停止風扇。

3  結論 

本文根據(jù)家用型紅外偏振光治療儀的設計要求對光 源控制模塊進行了詳細設計，實現(xiàn)了光功率調(diào)節(jié)、光源 的通斷管理，針對直接在光源兩端進行加壓供電造成電 源進入保護狀態(tài)的現(xiàn)象，采用了逐級增壓方式對光源進 行預熱處理，從而降低沖擊電流對電路的影響并延長了 光源的使用壽命，另外通過軟件檢測溫控開關狀態(tài)防止 溫度過高對患者造成傷害。

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