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CN102641152B - 基于fpga的高频电刀发生器 - Google Patents

基于fpga的高频电刀发生器 Download PDF

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CN102641152B CN201210158904.8A CN201210158904A CN102641152B CN 102641152 B CN102641152 B CN 102641152B CN 201210158904 A CN201210158904 A CN 201210158904A CN 102641152 B CN102641152 B CN 102641152B
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陈晟达
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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的高频电刀发生器，电源提供直流电压信号给射频发生模块，直流电压信号经射频发生模块谐振放大和半桥电路整形，变成高压交流射频信号后输出，输出通过放射电极和返回通道发送到生物组织；阻抗检测单元检测生物组织的阻抗并把阻抗参数发送给FPGA主控单元，FPGA主控单元依据阻抗参数实时调整SPWM波的占空比，SPWM波输出到射频发生模块。控制器可以实现精确控制、响应速度快、易修改、可现场编程；控制器通用性强，性能稳定；最重要的是，大规模的FPGA让我们可以将微处理器、专用硬件算法单元、专用波形发生单元、信号采集处理单元都集成于单芯片上，使之成为一个完整的电子专用控制系统。

Description

基于FPGA的高频电刀发生器
技术领域
本发明涉及一种外科手术器械，特别涉及一种基于FPGA的高频电刀发生器。
背景技术
高频电刀应用广泛,不仅在直视手术中，如普通外科、胸外、脑外、五官科、颌面外科得到广泛的应用，而且越来越多地应用在各种内窥镜手术中，如：腹腔镜、前列腺切镜、胃镜、膀胱镜、宫腔镜等手术中。高频电刀发生器是其核心部件。目前，传统的高频电刀广泛采用单片机对整机控制，来实施对各种功能下功率波形、电压、电流的自动调节，以及各种安全指标的检测。但是相对于数字控制也存在一些缺点：控制电路组件多，型号复杂；模拟器件容易老化；控制方法单一，较难实现先进的控制算法。随着EDA技术的发展，用基于FPGA的数字电子系统对功率器件组成的电路系统进行控制，为实现电外科的数字控制提供了一种新的有效方法。
发明内容
本发明是针对现在高频电刀控制电路组件多，型号复杂，模拟器件容易老化，控制方法单一的问题，提出了一种基于FPGA的高频电刀发生器，利用FPGA可编程性，采用SPWM调制方法，通过谐振式半桥逆变电路方式控制射频输出信号的频率、幅度和功率，使之适合生物组织体所需的切割和/或凝结。
本发明的技术方案为：一种基于FPGA的高频电刀发生器，电源提供直流电压信号给射频发生模块，直流电压信号经射频发生模块谐振放大和半桥电路整形，变成高压交流射频信号后输出，输出通过放射电极和返回通道发送到生物组织；阻抗检测单元检测生物组织的阻抗并把阻抗参数发送给FPGA主控单元，FPGA主控单元依据阻抗参数实时调整SPWM波的占空比，SPWM波输出到射频发生模块。
所述的射频发生模块由谐振电路与半桥开关式功放电路两部分组成，谐振电路由串联的电容和电感组成RC振荡电路，其谐振频率为1/                                               
Figure 296028DEST_PATH_IMAGE002
，半桥开关式功放电路由串联的两个MOS开关管和两个串联的电容并联组成，谐振电路串联的电容和电感两端一端接半桥开关式放电电路的串联的两个MOS开关管中心点，另一端接半桥开关式放电电路的串联的两个电容中心点，谐振电路的电容两端为输出端。
所述FPGA主控单元包括电源电流电压反馈与控制、阻抗检测反馈与控制、SPWM调制，其外围电路还包括晶振、人机界面和隔离电路；电源电流电压反馈与控制接电源，处理电源信号，阻抗检测反馈与控制输入接阻抗检测单元的输出，输出接SPWM调制；SPWM调制输出连接射频发生模块的两个MOS开关管；晶振为FPGA器件提供时钟驱动信号；隔离电路对主控单元的输入输出隔离，人机界面可以设定参数给FPGA主控单元。
所述SPWM调制主要包括正弦波发生器、三角波发生器、调制度M控制、比较器。
本发明的有益效果在于：本发明基于FPGA的高频电刀发生器，控制器可以实现精确控制、响应速度快、易修改、可现场编程；控制器通用性强，性能稳定； 最重要的是，大规模的FPGA让我们可以将微处理器、专用硬件算法单元、专用波形发生单元、信号采集处理单元都集成于单芯片上，使之成为一个完整的电子专用控制系统。
附图说明
图1为本发明基于FPGA的高频电刀发生器原理图；
图2为本发明基于FPGA的高频电刀发生器中射频发生模块功能电路图；
图3为本发明基于FPGA的高频电刀发生器中FPGA主控单元功能示意图；
图4为本发明基于FPGA的高频电刀发生器中SPWM调制算法示意图。
具体实施方式
如图1所示基于FPGA的高频电刀发生器原理图，200V直流电压信号首先由电源101产生，提供给射频发生模块102；后经射频发生模块102谐振放大和半桥电路整形，变成高压交流射频信号；最后通过放射电极和返回通道发送到生物组织103。阻抗检测单元104用于检测生物组织103的阻抗并把阻抗参数发送给FPGA主控单元105，FPGA主控单元105依据阻抗参数实时调整SPWM波的占空比，以控制射频发生模块102输出信号的幅度使之适合生物所需的切割和/或凝结。
如图2所示射频发生模块功能电路图，所述的射频发生模块102，由谐振电路与半桥开关式功放电路两部分组成。谐振电路由串联的电容203与电感202组成RC振荡电路，其谐振频率为1/。半桥开关式功放电路由串联的MOS开关201、204和串联的电容205、电容206并联组成。谐振电路串联的电容和电感两端一端接半桥开关式放电电路的串联的MOS开关201、204中心点，另一端接半桥开关式放电电路的串联的电容205、电容206中心点，电阻207为负载。
如图3所示FPGA主控单元功能示意图， FPGA主控单元105包括电源电流电压反馈与控制302、阻抗检测反馈与控制305、SPWM调制304，其外围结构还包括晶振303、人机界面301和隔离电路306；电源电流电压反馈与控制302用于控制设备电源101的反馈与输出，阻抗检测反馈与控制305根据阻抗检测104的输出结果调整SPWM调制304输出的占空比；SPWM调制304输出连接射频发生模块102的MOS开关201和204；晶振303为FPGA器件提供时钟驱动信号；隔离电路306对主控单元的输入输出隔离，避免同源干扰，人机界面301可以设定参数给FPGA主控单元105。
如图4所示SPWM调制304算法示意图，主要包括正弦波发生器401、三角波发生器404、调制度M控制402、比较器103；对正弦波发生器401与三角波发生器404产生的同一时刻正弦波和三角波幅值大小比较，正弦波大于三角波则输出正脉冲，反之则输出负脉冲或低电平。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的高频电刀发生器，其特征在于，电源提供直流电压信号给射频发生模块，直流电压信号经射频发生模块谐振放大和半桥电路整形，变成高压交流射频信号后输出，输出通过放射电极和返回通道发送到生物组织；阻抗检测单元检测生物组织的阻抗并把阻抗参数发送给FPGA主控单元，FPGA主控单元依据阻抗参数实时调整SPWM波的占空比，SPWM波输出到射频发生模块。
2.根据权利要求1所述基于FPGA的高频电刀发生器，其特征在于，所述的射频发生模块由谐振电路与半桥开关式功放电路两部分组成，谐振电路由串联的电容和电感组成RC振荡电路，其谐振频率为1/                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，半桥开关式功放电路由串联的两个MOS开关管和两个串联的电容并联组成，谐振电路串联的电容和电感两端一端接半桥开关式放电电路的串联的两个MOS开关管中心点，另一端接半桥开关式放电电路的串联的两个电容中心点，谐振电路的电容两端为输出端。
3.根据权利要求1所述基于FPGA的高频电刀发生器，其特征在于，所述FPGA主控单元包括电源电流电压反馈与控制、阻抗检测反馈与控制、SPWM调制，其外围电路还包括晶振、人机界面和隔离电路；电源电流电压反馈与控制接电源，处理电源信号，阻抗检测反馈与控制输入接阻抗检测单元的输出，输出接SPWM调制；SPWM调制输出连接射频发生模块的两个MOS开关管；晶振为FPGA器件提供时钟驱动信号；隔离电路对主控单元的输入输出隔离，人机界面可以设定参数给FPGA主控单元。
4.根据权利要求3所述基于FPGA的高频电刀发生器，其特征在于，所述SPWM调制主要包括正弦波发生器、三角波发生器、调制度M控制、比较器。
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