基于DS18B20和FPGA的射频热疗系统的设计外文翻译资料

一、基于DS18B20和FPGA的射频热疗系统的设计

苏良玉

电气与信息工程学院，许昌学院，中国许昌，邮政编码：461000

电话：13298231568，传真：0374 2962013，E-mail: sulyu@qq.com

摘要

在这一课题的研究和发展过程中，比较了三种主要的热物理技术。根据神经胶质瘤的组织特征，使用射频电容式加热的方法。因为传统的温度传感器有着互换性和不稳定控制方面的问题，所以设计了一个射频热处理温度场测量以及温度控制系统，其使用了高精度数字温度传感器DS18B20和可编程逻辑器件FPGA。这个系统还包含温度设定、温度显示、控制算法、FPGA芯片配置、信号功率放大器和DS18B20的控制功能。最后，该系统用于猪肉记录中心、边缘和表面温度的加热试验温度场。

关键词：温度传感器，DS18B20，FPGA,射频电容式加热，射频热处理

1. 简介

肿瘤热疗用热法治疗肿瘤。准确地说，这种治疗方法是使用各种各样的物理能量(如微波、射频和超声波等)，在人体组织中产生的沉积热效应。组织温度上升到有效的治疗温度区域(41以上)，并维持一定的时间杀死癌细胞，不会破坏正常组织。这是手术后的第五种治疗方法，放疗，化疗和免疫疗法，尤其是局部肿瘤控制，比其他方法要好得多。

常用的温度传感器(热敏电阻等模拟设备)有非线性和参数不一致的问题,由于放大器的零点漂移问题,更换设备时需要调试电路。在温度场的控制方法中，大多采用CPU或MCU作为控制系统的核心，基于软件方法的控制率和运行率明显不能与硬件方法相比，可靠性也不高。根据这两个问题，本文提出了一种新的测控方法，采用高精度数字温度传感器DS18B20和可编程逻辑器件FPGA实现功能。 DS18B20由单片集成电路制成，是单一的数字温度传感器信号，其突出优点是将温度直接测量为数字信号输出。温度值经过电压模拟电桥，然后通过信号放大和模数转换成数字信号，避免了传统传感器兼容性差的问题。特别是在多点温度检测的情况下，在处理各种误差，可靠性和实现系统优化等方面，DS18B20与各种传统温度传感器相比具有无与伦比的优势。

使用FPGA作为控制器，因为它是纯硬件来实现控制目的，适应温度场的高可靠性要求。它还可以大大减少系统的设备数量，具有灵活设计，现场可编程，程序可调试和体积小的优点。

1. 系统的整体设计

本文设计用于胶质瘤的治疗，根据胶质瘤的生物组织特征，选择射频信号作为加热的物理能量，并采用两板电容加热模式，系统框图如图1所示。

图1：热系统整体框图

射频信号频率为0.5MHz，通过500Hz可调整占空比调制输出控制信号。 FPGA作为控制器来控制加热过程。它通过控制面板将温度设置为FPGA的输入，DS18B20测量温度场的温度，然后将实时数字测量信号发送回FPGA器件。 FPGA将测量值与设定值进行比较，通过控制算法确定调制信号的占空比。 控制信号通过隔离电路和驱动电路加到工作板上。 通过调整500 Hz调制信号的占空比可以控制板的加热功率之间的电介质。

1. 硬件设计

硬件电路主要由FPGA和配置电路、电源电路、光耦合隔离电路、驱动电路、控制面板和显示单元组成。如图2所示的框图。

图2：硬件结构图

此设计中使用的FPGA芯片是Altera公司的ACEX1K系列EP1K30TC144-3。 芯片的特殊配置是Altera EPC2,用于数据配置。外部20MHz振荡半导体为FPGA提供时钟信号。ACEX1K的2.5 V和3.3 V电压来自外部5 V电源电路。控制面板由DIP开关和按钮组成，DIP开关用于控制数字显示，按钮用于将温度设置为FPGA的输入。 为了避免驱动电路对控制电路的干扰，使用1 MHz高速光耦合隔离6N137。

1. 软件设计

DS18B20温度测量程序设计流程图见图3。

图3：DS18B20编程流程图

所有软件功能都在Quartus软件平台中实现，设计方法为混合编辑，功能框图如图4所示。

图4：软件功能框图

两个外部按钮用于输入指定温度。这两个键用来消除FPGA内部的反弹，因此它可以被用来计数。底电平开关设置的用来控制温度设置,和“Show_set”是温度显示开关选择器。系统时钟是由外部提供20 MHz半导体振动,并通过分频处理获得500 kHz的责任比50%的射频信号和500Hz可调占空比从0 ~40%的调制信号,同时它提供了同步信号DS18B20。指定的DS18B20的温度和实际温度测量加工成四个十进制值,然后在数码管显示温度的值。根据给定的温度和实际温度，通过控制算法，得到了两种死区互补调制信号的对应值。射频信号由信号调制调制，然后通过光耦合隔离电路和驱动电路，最终增加工作容量。

1. 控制算法的选择和设计

5.1单输入单输出一维模糊控制器

在传统的控制系统中，控制算法得到了系统的数学模型。在本文中，受控对象是患者的体温，因为每个患者的情况不同，如身体部位的肿瘤，肿瘤大小和患者本身的身高脂肪是影响加热温度的因素，显然确定了建立数学模型的不确定对象是困难的，所以这种热处理系统采用模糊控制作为系统的控制算法。在理论上，模糊控制系统的控制器的维度越高，系统的控制精度也越高。但是选择的维度越高，模糊控制规则就越复杂，所以通过计算机实现的基于模糊综合推理的控制算法更加困难。在考虑了这两个因素的准确性和复杂性后，在本课题的射频热处理温度控制系统中，设计了两种控制方案。第一种，输入温度偏差，500 Hz调制（PWM）信号是一维模糊控制器结构输出的分数的占空比。第二种，使用温度偏差和偏差变化率作为输入，采用500 Hz调制（PWM）信号得分的占空比，用于二维模糊控制器结构的输出。

设定温度偏差误差=设定温度T0-测量温度Tt，分别假设数量偏差误差和输出控制（空分线理论域）E和R。 由于设定温度（处理温度）在40〜45℃范围内，而测量温度在25〜45℃范围内，假设过冲温度范围为-5〜 5，那么基本理论的误差为[ -5， 20]，R的域的基本理论为[0，40％]。 E可以分为七个模糊子集，模糊子集，其值的温差如表1所示。

R可以分为六个部分，形成6个模糊子集，模糊子集和输出之间的对应关系如表2所示。其中，N，0，P0，P1，P2，P3和P4代表负，零，正零，小，中，大，非常大。使用“E-R”的模糊控制规则，那么我们就可以得到相应的控制规则表，如表3所示。

表1：温度误差模糊化

表2：控制信号模糊化

表3：模糊规则

5.2双输入单输出模糊控制器

图5显示了控制器的结构图。输入信号分别是温度偏差和偏差变化率，输出信号为500Hz占空比的PWM波。

同上，温度偏差误差=设定温度T0-测量温度Tt，温度偏差率=（测量温度在最后时刻的测量温度）/时间间隔，设定时间间隔1秒，因为 时间间隔是固定值，所以使用测量温度在最后时刻的力矩测量温度。 为了测量温度变化的大小，所以在最后时刻（Tt）的瞬间测量温度下，温度偏差的变化率=测量温度（Tt）[10]。 域的基本理论的误差偏差为[-5， 20]。 定义模糊集理论中的域误差为E，并将其分为10个模糊子集，模糊子集与温差值的关系如表1所示。其中，N，0，P0，P1，P2，P3 ，P4，P5，P6和P7表示负，零，正零，正1，正2，正3，正4，正

全文共10713字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[144638]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

您可能感兴趣的文章

• 基于图像的分类调查外文翻译资料
• 用于单样本的视频人脸识别特定领域的人脸合成外文翻译资料
• 具有Si0,薄膜覆盖层的温度补偿声表面波器件外文翻译资料
• SAW/LSAWCOM参数从数值计算实验中提取周期性电极的谐波导纳外文翻译资料
• 三轴加速度计用于体力活动的评估:现状与未来外文翻译资料
• 传感器新技术的发展外文翻译资料
• 基于nRF24L01的无线通信系统设计外文翻译资料
• 扩展交通信号灯识别：相位和导向符号的有效分类外文翻译资料
• 微型电解加工脉冲电源的设计外文翻译资料
• 8tsram单元作为超越vonneumann计算的多位点积引擎外文翻译资料