PDF《基于 LPC2148 的808 nm 大功率半导体激光治疗仪》

第39 卷第

1 期应用科技Vol.

39, No.1

2012 年2月Applied Science and Technology Feb.

2012 doi:10.3969/j.issn.1009-671X.201110007 基于 LPC2148 的808 nm 大功率半导体激光治疗仪 王彪 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室, 吉林 长春

130033 摘要:以ARM 处理器 LPC2148 为核心,采用数控恒流源驱动方式,将808 nm 大功率半导体激光器和智能化控制技 术相结合, 设计研制了一种智能型大功率半导体激光治疗仪. 通过 LPC2148 自身的 USB 接口引擎和 EasyUSB214x 动态 库,结合 VC++编写了上位机应用软件,将治疗仪的日志数据以 USB 的通讯方式传输到上位机,以实现对治疗操作日 志数据的记录、查阅和研究. 关键词:LPC2148;

808 nm 大功率激光器;

半导体激光治疗仪 中图分类号:TN248.4 文献标志码:A 文章编号:1009-671X(2012)01-0031-04 808nm high-power semiconductor laser therapeutic apparatus based on LPC2148 WANG Biao Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, State Key Laboratory of Luminescence and Application, Changchun 130033, China Abstract: An intelligent high-power semiconductor laser therapeutic apparatus was developed by combining 808nm high-power semiconductor laser therapeutic apparatus and intelligent control technology. The apparatus uses ARM processor LPC2148 as the core and is driven by a digital constant current source module. The communication between the laser therapeutic apparatus and PC is realized by USB interface of LPC2148 and dynamic library of EasyUSB214x. The computer application software is programmed by VC++. The log data of the therapeutic apparatus is sent to the computer by USB interface, and thereby achieves recording, checking and research of the operational log data. Keywords: LPC2148;

808nm high-power laser;

semiconductor laser therapeutic apparatus 目前,1 半导体激光器因其质量轻、体积小、效率 高、成本低等优点已经在工业、通信、军事及医疗方 面得到了广泛的应用[1-10] . 其中激光医疗设备现已广 泛地应用于各个领域的疾病治疗,例如眼科、外科、 内科、妇科、耳鼻喉科、心血管科、皮肤科等,并且 它已经成为各个医院争相引进的医疗设备[11] . 由于半 导体激光器具有重量轻、体积小、成本低、效率高、 寿命长、输出功率稳定、波长范围广、易于光纤传输、 电源驱动系统简单等优点,所以它具有十分广阔的应 用和发展前景. 然而国内的医院所使用的大多都是从 国外进口的激光治疗仪器,价格昂贵、维护不便. 为 了改变这种依赖进口的局面, 自主研发了一种

808 nm 大功率半导体激光治疗仪 ,它是以

808 nm 大功率半 收稿日期: 2011-10-12. 基金项目:吉林省科技发展计划重点资助项目(20100352). 作者简介:王彪(1981-), 男,副研究员,博士,主要研究方向:嵌入 式系统软硬件技术研究,E-mail:wb5996@163.com. 导体激光模块作为核心光源[12] , 采用 LPC2148 作为仪 器的核心处理器. 因为

808 nm 的激光具有水吸收较 弱、黑色素和血红蛋白吸收较强,穿透组织深度适中 等特点,近年来被国内外广泛关注. LPC2148 作为一 种新型的 ARM 微处理器,与其他类型的微处理器相 比,具有外设接口丰富、易于实现复杂操控、工作高 效稳定等优点, 并且自身具有 USB 接口引擎, 特别适 合应用在激光治疗仪这种需要多任务处理的场合.

1 系统设计 本激光治疗仪由 LPC2148 主控模块、激光器恒 流源驱动模块、触摸屏人机交互模块和上位机软件 等部分组成. 一方面该仪器能够配置多种激光输出 模式,并且能够智能设置输出激光参数以及具有出 光时限控制功能;

另一方面该仪器能够将治疗病历 的日志存储到计算机上以及具有 USB 日志数据传 ・32・ 应用科技第39 卷 输功能, 所研制的

808 nm 大功率半导体激光治疗仪 实物如图

1 所示. 图1808 nm 大功率半导体激光治疗仪实物 本系统是以 LPC2148 主控器为核心, 采用数控恒 流源方式来驱动

808 nm 大功率半导体激光模块;

人 机交互单元采用的是真彩液晶触摸屏[13] ,具有人性化 的操作界面,实现了智能化设置输出激光组合的参数 和各种存储及通讯功能的操控;

同时仪器自身具有用 于存储治疗方案日志数据的大容量 FLASH 以及具有 微型打印机,能够实现数据的存储和对治疗方案日志 数据的打印需求;

此外还可以将本机存储的治疗方案 日志数据上传到计算机中以实现数据同步,方便医生 对治疗数据的记录、查阅和研究. 本治疗仪的系统框 图如图

2 所示. 图2治疗仪系统

2 硬件设计 2.1 激光器模块 本激光治疗仪选用的核心光源是单管光束耦合型

808 nm 大功率半导体激光器[14] ,

6 个5W的单管激光 器进行光束耦合后激光器的最大输出功率可达

30 W. 设计时在按阶梯形分布的散热块上安装各单管激光 器,利用非球面微柱透镜和球面柱透镜分别对光束快 轴和光束慢轴进行准直,通过

2 组柱面透镜组来实现 快慢轴方向的聚焦,最后将激光束耦合进数值孔径为 0.

22、芯径为

200 μm 的光纤中输出[15] . 图3是该光纤 耦合激光器模块的特性曲线, 曲线 A 为伏安特性曲线, 曲线 B 为驱动电流与功率的关系曲线. 从这

2 条特性 曲线可以得出, 其额定电流为5.17A, 阈值电流为0.5A, 额定电压为 11.29 V,额定光功率为

30 W. 图3808 nm 大功率半导体激光器特性曲线 2.2 数控恒流源驱动模块 为方便操控激光器功率输出,本仪器采用的是数 控恒流源驱动方式,具体电路图如图

4 所示. 其中

12 位DA 转换器 DAC7513E(U1)输出 0~5 V 数控电压 信号主要是通过主控器 LPC2148 利用 DAIN、 DASK、 DACS 三线 SPI 接口方式来控制的;

此电压信号输入 至高速模拟开关 MAX4624(U2)内,经LPC2148 的 一个通用 IO 口SSCH 来控制高速模拟开关的导通与 截止;

从而实现了输出一个输出周期、输出电压和占 空比均可变的数控电压信号[16] . 经由两级放大器 CA3140(U3 和U4)构成的电压转电流电路后,此数控 电压信号加载到 MOS 管IRF2907(Q3)上,依据 Q3 的导通与截止程度来控制激光器(J2)的工作电流变 化,从而达到控制其输出功率的目的. 为了产生各种 不同的激光输出模式已达到治疗不同疾病的目的,对 激光器的输出功率、 脉冲宽度和脉冲周期进行了设置, 其主要是利用 LPC2148 微控制器的程序实现的.

3 软件设计 本仪器通过 LPC2148 自身所具备的 USB 硬件接 口进行 USB 通讯,可以实现同 PC 机之间的 12Mb/s 的数据传输速率. LPC2148 的USB 接口单元由寄存器 接口、串行接口引擎、端点缓冲存储器和 DMA 控制 器组成. 其控制器支持

32 个固定配置的物理端点, 本 系统使用物理端点 1,数据包长度都为

64 Bytes. LPC2148 的USB 接口编程相对比较复杂,在系 统设计中采用了广州致远电子有限公司提供的计算机 端的 EasyUSB214x 动态库组件以及 LPC2148 端的 USB 数据收发函数库文件. 计算机端通过动态链接 库所提供的访问 USB 端点的 API 函数,可以在不必 了解复杂的 USB 协议的情况下来快速完成 USB 的应 用程序开发.其动态链接库共有

3 个文件, 即EasyUSB214x.lib、EasyUSB214x.dll 和EasyUSB214x.h. 第1期王彪:基于 LPC2148 的808 nm 大功率半导体激光治疗仪 ・33・ 在使用时须首先安装随库附带的 USB 驱动程序 LPC214X.INF 和LPC214X.SYS. 为了将存储于仪器中的治疗操作日志数据进行 提取,以便医生对整个治疗过程中的数据进行记录、 查阅和后期研究, 采用 VC++6.0 编写了治疗仪上位机 应用软件, 其软件名称为 智能激光治疗仪日志数据管 理软件 V1.01 ,软件运行界面如图

5 所示. 图4数控恒流驱动模块电路原理 图5软件运行界面 该软件将 USB 通信、数据提取、日志记录等功 能集成于一体,采用集成化的操作界面和对话框式的 窗口设计,通过简单的操作便可对 激光治疗仪 的日 志数据进行数据提取及上传存储分析. 该软件主要由 USB 数据通讯、日志数据解析、日志数据显示和日志 数据存储

4 大功能模块组成,在软件编制上分为数据 层、信息层、用户层

3 层结构. 数据层是软件的核心 层, 通过调用底层 USB 驱动程序, 与数据管理软件的 USB 口建立通信,接收由 ARM 下位机所发送的原始 数据, 再由数据解析程序实时从原始数据中解析数据;

信息层主要实现将数据层中处理完的数据以文字信息 的方式呈现给用户;

用户层主要实现系统与用户之间 的交互,可以通过点击 文件另存 按钮将日志信息进 行存储,以便后期查阅........