基于Cortex-M4醫用高頻高壓發生器的研究

郝利國，李靖宇，劉雅楠，薛儉雷，張淑麗

（齊齊哈爾醫學院醫學技術學院，黑龍江齊齊哈爾161000）

基于Cortex-M4醫用高頻高壓發生器的研究

郝利國，李靖宇，劉雅楠，薛儉雷，張淑麗

（齊齊哈爾醫學院醫學技術學院，黑龍江齊齊哈爾161000）

針對醫用X射線機在工頻供電條件下存在有用射線輸出率低、X射線管輸出電壓紋波系數普遍偏大的現象，為保證X射線機工作的穩定性與準確性，該文提出一種基于Cortex-M4內核的醫用高頻高壓發生器設計方案。分析高頻高壓發生器的結構及其工作原理，運用全橋串并聯諧振逆變電路實現對高頻電壓的轉換。設計采用雙閉環控制，通過對采樣電壓及電流的采集計算和誤差分析，進而調節脈沖頻率控制電路和脈沖寬度控制電路，確保輸出管電壓、管電流的精確、穩定。運行結果表明：該設計的高頻高壓發生器相對誤差小，系統運行穩定性能好，輸出電壓精度和電流精度高，可以很好地滿足醫用X射線機工作需求，具有較好的應用價值。

高壓發生器；Cortex-M4；雙閉環控制；X射線；全橋逆變

0 引言

隨著無線傳感技術和計算機技術的飛速發展，醫療技術領域也取得了日新月異的發展，臨床檢查對醫療輔助設備的的依賴性也不斷增加。在醫療疾病檢查以及體檢中心，醫用X射線機已經普遍應用[1]。因此，X射線機的穩定運行，對疾病的檢查具有重要的意義。高頻高壓發生器是醫療X射線機的核心組成部分，主要為X射線設備提供高壓球管運行時的高壓和燈絲所需電流。在我國各大醫院及體檢中心，工頻X射線機因為價格相對較低，使用得最為普遍，但工頻X射線機具有輸出有用射線率低、射線管電壓紋波大、高壓變壓器體積大、質量重等缺點。國外發達國家已經成功研發出高頻高壓發生器，并在實際設備中投入使用。我國射線設備使用的高頻高壓發生器都是采購國外設備，價格昂貴,缺少自主研發的產品。因此對高頻高壓發生器的研究具有重要的意義[2]。本設計采用Cortex-M4內核，通過逆變技術及閉環控制技術，實現X射線機所需要的穩定電壓及電流。

1 醫用高頻高壓發生器的原理與設計方案

1.1 高頻高壓發生器的原理

在醫用X射線機系統中，高壓發生器的作用是向X線球管的燈絲提供電流，同時對其陽極和陰極施加穩定的高壓,使之產生X射線。因此，提供穩定的高壓和電流是高頻高壓發生器的宗旨[3]。圖1為高頻高壓發生器的原理圖。

圖1 高頻高壓發生器原理圖

如圖所示，高頻高壓發生器包括整流、濾波、逆變、高壓變壓器、高壓整流，高壓濾波等單元。主要作用是將380V，50Hz三相交流電通過整流、濾波、逆變、升壓、高壓整流、高壓濾波等環節處理后，輸出高頻高壓電源，以提供X射線機正常工作時的高壓電源。

1.2 設計方案

基于Cortex-M4內核的醫用高頻高壓發生器系統可分為電壓整流濾波單元、逆變轉換單元、升壓倍壓及濾波單元、控制單元；整流、濾波、逆變、升壓、倍壓濾波主要將工頻交流380V動力電轉換成為供X射線機球管工作的高頻高壓電源；控制單元主要是對產生的高頻高壓電源進行取樣監測，包括CPU外圍電路及反饋電壓閉環控制電路，通過對逆變電壓的修正，保證球管電壓的穩定[4]。設計方案如圖2所示。

圖2 系統結構圖

其中，380V，50Hz交流動力電經過整流、逆變后，形成直流高頻方波，高頻方波經過高壓升壓、倍壓整流濾波電路，最終獲得供X射線機球管工作的40～230kV的高頻高壓電源。控制單元通過飛思卡爾K22核心CPU處理器，將反饋電壓信號、電流信號進行采集處理，通過誤差分析計算，控制逆變全橋驅動，進而實現對逆變電路參數的閉環控制。與此同時，系統設計了友好的人機交互電路，可以通過觸摸屏讀取設備狀態信息以及參數設置，通過USB對設備采集數據進行存儲，用戶同時可通過串口通信電路對設備運行參數進行批量設置。

2 高頻高壓發生器系統硬件設計實現

2.1 整流濾波電路

整流電路主要是將工頻三相交流380V電壓通過整流橋轉換成為直流560 V電壓，但轉化后的電壓中仍然存在交流電壓分量，因此要對轉化后的電壓進行濾波處理，過濾掉交流部分電壓，使輸出電壓平穩[5]。濾波電路如圖3所示。

圖3 濾波電路

如圖所示，濾波電路由L、C組成，根據電感特性，流過電感電流發生變化時，自感電動勢會阻礙電流變化趨勢。頻率越高，阻礙變化的自感電動勢就越大。對于直流部分，電感相當于短路，電壓都加載負載RL兩端。因此，經過濾波后的直流電源比較平滑。LC濾波電路對于要求大電流，輸出電壓脈動小的高頻電路，具有明顯的濾波效果。

2.2 全橋串并聯諧振逆變電路

逆變電路分為很多種，串聯諧振在直流環節存在逆變器的諧振峰值電壓過高現象，并聯諧振在直流關節則存在逆變器諧振峰值電流過大現象[6]。本設計針對高頻高壓產生特點，將二者結合在一起構成串并聯諧振直流環節，可以集二者優點以提高整體性能。設計電路如圖4所示。

圖4 全橋諧振逆變電路

設計采用全橋LCC串并聯逆變電路，其中VT1、VT2、VT3、VT4是4組場效應開關管，Lf是諧振電感，RL為負載，功率的輸出采用調頻的方式控制。逆變器最終將直流電壓電源逆變成高頻方波電壓，然后輸出給串聯諧振網絡。串聯諧振網絡的作用是改變方波電壓的頻率，進而實現對輸出功率的控制與調節[7]。

2.3 高壓變壓器

經過全橋LCC逆變器輸出的電壓還遠遠不夠X射線機球管所需電壓，因此需要經過高壓變壓器進行再次升壓。考慮到高頻高壓變壓器漏感和匝間分布電容，高壓變壓器設計包括3個次級繞組，對地電壓分別是+kV和-kV直流，在系統疊加后產生直流高壓。根據球管高壓范圍，本設計高頻變壓器的變比選取：123:355:355:355，磁芯采用鐵氧化體材料，初級線圈和次級線圈采用疊式結構，同時采用電纜紙和聚酰亞胺等來增加絕緣強度。

2.4 倍壓整流電路

X射線球管正常工作在直流電壓，因此，需要對高壓變壓器輸出電壓進行整流和濾波。為了保證X射線管提供足夠的高壓，本設計采用多倍壓整流濾波的方法。設計充分利用電容具有存儲電荷的特點,通過多個整流二極管和濾波電容達到倍壓目的[8]。此設計還可以降低變壓器次級線圈的耐壓指標，將其中的部分耐壓值通過電路轉移到整流二極管和濾波電容上面。由此同時，采用倍壓電路替代單一的二極管整流電路，也可以很大程度上減少高頻變壓器的變比和寄生電容。具體設計如圖5所示。

圖5 倍壓電路

圖5是分別對高壓變壓器次級輸出的陽極電壓和陰極電壓進行二倍壓整流濾波。其中P1、P3接到變壓器的一個次級繞組,P2、P4接另一個次級繞組,P1、P2為同名端,在高壓變壓器輸出正半周期,倍壓電路通過D2、D4對電容C2、C4進行充電,在負半周期時，電路通過D1、D3對電容C1、C3進行充電,完成交流到直流轉換[9]。因為電容C1、C2、C3、C4串聯輸出,因此輸出電壓是原來的4倍。電路中的電阻R1、R2是X射線管電流采樣電阻。設計中將中心點接地，設計成對稱電路，這樣便將整流二極管和濾波電容的耐壓值降低原來的一半，電路工作更安全[10]。

圖6 逆變器閉環控制圖

圖7 USB拷貝電路

2.5 雙閉環反饋控制電路

X射線機球管工作需要穩定的、精確的燈管電壓和管電流。本設計采用雙閉環控制，通過對采樣電壓及電流電路的計算和誤差分析，設計調頻方式控制球管電壓，調寬方式控制燈絲電流，使輸出管電壓、管電流精確、穩定；控制邏輯如圖6所示。

通過對采樣電壓信號和采樣電流信號進行運算處理，最后將運算結果反饋給控制電路。控制電路分別釆用脈沖頻率調制控制的方法和脈沖寬度控制方法，對反饋回來的管電壓信號、電流信號分別與系統設置的參數進行誤差運算，然后根據誤差結果調整驅動信號的頻率和脈寬調制寬度，進而保證輸出電壓的穩定和電流的穩定[11]。電壓控制電路采用脈沖頻率調制芯片MC33067，電流控制電路采用脈沖寬度調制芯片SG3525。

2.6 其他電路

本設計采用Cortex-M4內核處理器，采用飛思卡爾K系列核心處理器，工作頻率可達120M，是一款高性能、低功耗芯片。外圍電路還包括觸摸屏電路、USB拷貝電路，串口通信電路等。觸摸屏可以對設備運行情況進行實時查看，操作人員可根據需求對運行參數進行設置。USB拷貝電路可以實現對設備監測數據的拷貝，操作者也可以根據實際需求，不同環境下對設備進行啟動。串口通信支持上位機操作功能，可以通過上位機軟件對裝置運行參數進行實時設置，也可以實時讀取設備運行信息。USB電路如圖7所示。

3 軟件設計

系統采用FreeRTOS嵌入式實時系統，keil開發編譯環境，通過多級任務管理對系統軟件進行設計，主流程如圖8所示。

圖8 主流程

程序設置好X射線管需要的電壓及需要控制的電流范圍，通過讀取串口和觸摸屏配置參數，然后控制DAC數模轉換器輸出電壓，在判斷控制位有效時，與反饋參數進行比較運算，進行誤差分析，然后輸出給電壓控制器及電流控制器，進而完成電壓和電流的調節。與此同時，也可以通過串口和觸摸屏對設備進行指令操作以及USB拷貝等操作。

4 系統測試分析

圖9 控制電路精度測試

圖10 逆變器輸出仿真波形

該產品樣機已成功通過許昌開普電器檢測研究院的電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗、靜電放電抗擾度試驗、浪涌（沖擊）抗擾度等試驗，符合電磁兼容的國標四級設計要求。圖9為實驗室控制電路精度測試實驗，其中逆變器輸出波形如圖10所示。

如圖所示，逆變器輸出波形中，通道1方波為實際功率管MOSFET輸出控制電壓方波，通道2，3，4正弦波信號為諧振電流波形，對比圖中波形可知，雙閉環控制下，逆變器實現了零電壓開通的軟關斷的設計要求。

通過實際測試分析，該系統輸出電壓穩定，雙閉環控制精度高，通過數據對比分析，設計完全符合精度及穩定性需求，能準確實現X射線機正常工作所需電壓。符合高壓設備高速采集、快速處理、通信穩定的智能化要求。

5 結束語

本文提出了一種基Cortex-M4內核的醫用高頻高壓發生器系統，采用飛思卡爾高性能核心處理器，處理速度快，設計中采用雙閉環控制原理，解決單閉環控制中存在的不足。外圍電路還包括觸摸屏電路，串口通信電路及USB拷貝電路，可根據用戶實際需要對設備進行參數設置及運行狀態讀取。通過對采樣電壓及電流電路的計算和誤差分析，利用調頻控制方式控制球管電壓,調寬方式控制燈絲電流，使X射線機輸出管電壓、管電流精確、穩定。運行結果表明，本設計可以精確輸出醫用X射線工作時的機球管工作的高壓和燈絲電流，為醫用X射線機的高精度監測及運行提供了可靠的保證。

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（編輯：劉楊）

Research on medical high frequency and high voltage generator based on Cortex-M4

HAO Liguo，LI Jingyu，LIU Ya'nan，XUE Jianlei，ZHANG Shuli
（School of Medicine and Technology，Qiqihar Medical University，Qiqihar 161000，China）

Under the condition of the power frequency supply，the useful output rate of the medical X-ray machine is low and the X-ray tube output voltage ripple coefficient is generally larger.In order to ensure the stability and accuracy of the operation of the X-ray machine，a design of the medical high frequency and high voltage generator based on the Cortex-M4 kernel is proposed in this paper.The structure and working principle of the high frequency and high voltage generator are thoroughly analyzed，and the conversion of high frequency voltage is realized with the full bridge series parallel resonant inverter circuit.The double closed loop is adopted to control the whole design.Through the calculation and error analysis of the sampling voltage and current acquisition，the pulse frequency control circuit and the pulse width control circuit are adjusted to ensure the accuracy and stability of the output voltage and the tube current.The running results show that the design have small relative error，high precision and stable performance with both accuracy and adjustable voltage output，not only meet the needs of medical X-ray machine，but also show a good application value.

high voltage generator；Cortex-M4；double closed-loop control；X-ray；full bridge inverter

A

1674-5124（2017）08-0086-05

2017-02-18；

2017-03-25

郝利國（1980-），男，黑龍江齊齊哈爾市人，講師，碩士，研究方向為醫學成像理論及功能影像學成像。

張淑麗（1963-），女，黑龍江齊齊哈爾市人，教授，碩士，研究方向為醫學影像圖像后處理技術。

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.08.018