一种基于FPGA的连续功率闭环控制装置及方法与流程

本发明属于医疗设备领域，具体涉及一种基于fpga的连续功率闭环控制装置及方法。

背景技术：

光疗作为声、光、电、磁医疗设备中的重要分支，适应范围科室较多，适应症多，具有无创、绿色的特点，是使用较为广泛的一种辅助治疗工具。光疗设备的治疗效果主要取决于治疗光束到达人体组织深处的能量大小，光功率大小、输出功率波形组合、光谱范围、作用时间等多种因素，其中光功率的大小及准确性尤为重要，光功率的大小决定光线透射的深浅程度及施加与患处的光子能量；各种光疗设备主要是通过使用光束光功率的变化照射达到治疗对应疾病的目的。在实际诊疗过程中，不同的适应症需要不同的光功率波形组合进行治疗，同一种疾病的每个病患病情、个人对光疗的适应性各不相同，需要医生制定出准确的、差异化的治疗方案，从而要求光疗设备能够提供产生多种光功率波形组合的功能，同时每种组合波形输出的光功率需要精准控制。

目前，已知卤素灯功率控制都是靠机械旋钮、硬件分压电路等方式实现的，此方法存在光功率控制不准确、光功率变化组合控制困难、光功率输出方式单一等固有缺点，造成光疗设备在治疗方式上跟不上治疗需求等问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于fpga的连续功率闭环控制装置及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于fpga的连续功率闭环控制装置，包括dc-dc程控降压模块、a/d转换器、fpga、d/a转换器和积分电路；

dc-dc程控降压模块，被配置为用于进行闭环控制的正向降压，能够根据控制信号，将24v输入电压变换为卤素灯需要的0-15v的可控连续电压；

a/d转换器，被配置为用于将dc-dc降压后的电压进行模数转换，然后输出至fpga；

fpga，被配置为将预算的参考电压信号与电压监测信号进行比对，形成相对电压误差值，并将相对电压误差值数字信号输出至d/a转换器；同时控制dc-dc程控降压模块的工作状态；

d/a转换器，被配置为用于将fpga内用于时时监测的数字化电压与参考值进行比对的相对误差值，进行数模变换后输出至积分电路；

积分电路，被配置用于产生dc-dc降压模块输出电压的负反馈信号；

电源输入信号经压控dc-dc降压模块降压后，输出电压分为两路，其中一路电压信号供卤素灯光源使用，另一路电压监测信号输出至a/d转换器，经数模转换成数字信号输入至fpga，fpga将预算的参考电压信号与电压监测信号进行比对，形成相对电压误差值，并将相对电压误差值数字信号输出至d/a转换器，d/a转换器将fpga内用于时时监测的数字化电压与参考值进行比对的相对误差值，进行数模变换后输出至积分电路，积分电路产生dc-dc降压模块输出电压的负反馈信号，输出至dc-dc降压模块的trim脚，通过负反馈得到程控电源输出信号。

此外，本发明还提到一种基于fpga的连续功率闭环控制方法，该方法采用如上所述的一种基于fpga的连续功率闭环控制装置，具体包括如下步骤：

步骤1：基于fpga逻辑编程的方式，通过实时编辑控制参数，实现对光疗设备输出功率进行连续精准闭环控制；

步骤2：基于fpga逻辑编程的方式，通过实时编辑控制参数，并进行复用计算组合，实现光疗设备任意光功率波形组合的输出功能。

本发明所带来的有益技术效果：

由于基于fpga针对卤素灯进行连采用续功率闭环精准控制实现方法，从而回避了已知大功率卤素灯功率控制都是靠机械旋钮、硬件分压电路等方式实现的缺点，读写光功率控制准确、读写数据完整可靠、能实现各种光功率输出模式、vhdl编程简洁易修改、易调试、移植性和一致性好等优点，可实现对大功率卤素灯进行连续功率闭环精准控制。

附图说明

图1为本发明控制装置的电路原理框图。

图2为本发明fpga芯片内部电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，电源信号24v输入程控dc-dc降压模块，通过fpga输出的开关控制信号用来控制dc-dc降压模块工作状态，降压模块输出电压分为两路，其中一路电压信号供卤素灯光源使用，另一路电压监测信号输出至a/d转换器，经数模转换成数字信号输入至fpga，fpga将预设置的参考电压信号与电压监测信号进行比对，形成相对电压误差值，将相对电压误差值数字信号输出，至d/a转换器，经数模转换后模拟电压信号，经过两级运放放大器组成的积分电路后，输出至dc-dc降压模块的trim脚，通过负反馈得到程控电源输出信号。

如图2所示，本设计方案是通过采用vhdl逻辑语言在fpga内实现对卤素灯进行连续功率闭环精准控制和多种功率波形组合输出的功能。

在vhdl语言编写时，整个程序分为dc-dc模块电压信号监测采集、dc-dc模块控制指令集、负反馈差值信号产生、多种组合功率波形图形发生器等几个模块，以20mhz时钟为基准，通过不同的同步计数器分别产生写操作时序信号、写数据时序信、读操作时序信号、读数据时序信号，根据输入的监测数据，同步控制连续光功率变化，合成复用矩形波、三角波、正弦波等各种治疗所需波形，通过输出驱动单元输出，构成闭环控制的负反馈通路，从而实现对卤素灯进行连续功率闭环精准的控制。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种基于fpga的连续功率闭环控制装置，其特征在于：包括dc-dc程控降压模块、a/d转换器、fpga、d/a转换器和积分电路；

dc-dc程控降压模块，被配置为用于进行闭环控制的正向降压，能够根据控制信号，将24v输入电压变换为卤素灯需要的0-15v的可控连续电压；

a/d转换器，被配置为用于将dc-dc降压后的电压进行模数转换，然后输出至fpga；

fpga，被配置为将预算的参考电压信号与电压监测信号进行比对，形成相对电压误差值，并将相对电压误差值数字信号输出至d/a转换器；同时控制dc-dc程控降压模块的工作状态；

d/a转换器，被配置为用于将fpga内用于时时监测的数字化电压与参考值进行比对的相对误差值，进行数模变换后输出至积分电路；

积分电路，被配置用于产生dc-dc降压模块输出电压的负反馈信号；

电源输入信号经压控dc-dc降压模块降压后，输出电压分为两路，其中一路电压信号供卤素灯光源使用，另一路电压监测信号输出至a/d转换器，经数模转换成数字信号输入至fpga，fpga将预算的参考电压信号与电压监测信号进行比对，形成相对电压误差值，并将相对电压误差值数字信号输出至d/a转换器，d/a转换器将fpga内用于时时监测的数字化电压与参考值进行比对的相对误差值，进行数模变换后输出至积分电路，积分电路产生dc-dc降压模块输出电压的负反馈信号，输出至dc-dc降压模块的trim脚，通过负反馈得到程控电源输出信号。

2.一种基于fpga的连续功率闭环控制方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种基于fpga的连续功率闭环控制装置，具体包括如下步骤：

步骤1：基于fpga逻辑编程的方式，通过实时编辑控制参数，实现对光疗设备输出功率进行连续精准闭环控制；

步骤2：基于fpga逻辑编程的方式，通过实时编辑控制参数，并进行复用计算组合，实现光疗设备任意光功率波形组合的输出功能。

技术总结
本发明公开了一种基于FPGA的连续功率闭环控制装置及方法，属于医疗设备领域。本发明采用VHDL编程来实现对光疗设备输出功率进行连续精准控制，并实现光疗设备任意功率波形组合；以20MHz晶振作为时钟基准，产生写操作时序、写数据时序、读操作时序、读数据时序，结合功率控制参数寄存器，通过AD/DA转换，控制可编程DC/DC模块，实现对卤素灯连续功率闭环精准的控制；另通过实时改变输出光功率值，来实现光疗设备输出功率变化组合要求。本发明采用基于FPGA软硬件控制实现方法，从而回避了目前卤素灯功率控制依靠机械旋钮、硬件分压电路等方式实现的缺点。

技术研发人员：王安意;牛礼军;刘敏;刘振洗
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十一研究所
技术研发日：2020.07.08
技术公布日：2020.11.17