電致生物效應(yīng)高壓脈沖源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)具有軟殺傷性的非致命武器(nonlethai weapons)表現(xiàn)出日益濃厚的興趣，其中高壓脈沖使生物失能效應(yīng)研究是發(fā)展該類武器的重要課題。電致生物效應(yīng)高壓脈沖源是關(guān)鍵裝置。為了研究不同脈沖參數(shù)對(duì)生物體的作用．要求脈沖的幅值、寬度和頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，因此高壓脈沖源基于全固態(tài)剛管調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)并由直流高壓電源、串聯(lián)IGBT調(diào)制開關(guān)和控制系統(tǒng)三部分組成。基于8051微控制器的高壓脈沖源控制系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，電路可靠的優(yōu)點(diǎn)。但其程序設(shè)計(jì)一般為前后臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性較差，從而使輸出脈沖波形穩(wěn)定性不能滿足實(shí)驗(yàn)要求。本文基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Small RTOS51進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，以及優(yōu)化的采樣信號(hào)濾波算法，使該高壓脈沖源輸出電壓精度穩(wěn)定達(dá)到0．1％。從而能可靠地用于生物效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

1 硬件設(shè)計(jì)
電致生物效應(yīng)高壓脈沖源要求產(chǎn)生500～5 000 V寬范圍的脈沖高壓輸出，控制系統(tǒng)管理高壓脈沖源所有組件的工作，是實(shí)現(xiàn)高可靠性的核心。控制系統(tǒng)的主要功能是：不斷掃描鍵盤獲取電源工作參數(shù)／命令，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)和不斷采樣的負(fù)載電壓值控制高壓脈沖電壓幅值，從而使電源以預(yù)定電壓恒壓輸出；采樣初級(jí)開關(guān)電源狀態(tài)，用以實(shí)時(shí)計(jì)算電源輸出功率，以保護(hù)實(shí)現(xiàn)對(duì)象；實(shí)時(shí)在點(diǎn)陣式彩色圖形液晶屏上顯示電源的工作狀態(tài)。高壓脈沖源原理如圖1所示。

控制系統(tǒng)的硬件主要由控制核心、脈寬調(diào)制模塊、電壓控制與采樣模塊、鍵盤和顯示模塊、掉電數(shù)據(jù)保存模塊組成。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1．1 電壓輸出控制與采樣模塊
當(dāng)高壓脈沖輸出時(shí)，控制系統(tǒng)不斷采樣輸出電壓幅值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整初級(jí)高壓開關(guān)電源的輸出。輸出電壓采樣的準(zhǔn)確性和初級(jí)高壓開關(guān)電源輸出控制精度是實(shí)現(xiàn)高壓脈沖精確穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵。基于MAX526和MAX197可實(shí)現(xiàn)12位分辨率的輸出控制與采樣。為了減少高壓脈沖源初級(jí)開關(guān)電源引起的高頻干擾對(duì)電壓控制與采樣電路的影響，除了對(duì)地線進(jìn)行合理布線外，對(duì)MAX526，MAX197的數(shù)字電壓源串聯(lián)5 Ω電阻進(jìn)行電源濾波。MAX526，MAX197外圍電路如圖3所示。

1．2 脈寬調(diào)制模塊
電致生物效應(yīng)源需要頻率1～500 Hz，脈寬1～200 μs連續(xù)可調(diào)PWM信號(hào)控制高壓脈沖輸出。實(shí)現(xiàn)該P(yáng)WM信號(hào)可以利用8051單片機(jī)自帶的計(jì)數(shù)器，但是考慮到程序設(shè)計(jì)基于Small RTOS51，和大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)一樣，Small RTOS51會(huì)頻繁關(guān)閉所有中斷以保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵代碼執(zhí)行，這會(huì)造成基于軟件生成的PWM信號(hào)精度較低，因此，本設(shè)計(jì)采用8254級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)該P(yáng)WM信號(hào)。
8254有3個(gè)獨(dú)立的16位減法計(jì)數(shù)通道，使用單-5 V電源，最大計(jì)數(shù)頻率10 MHz，使用級(jí)聯(lián)方式可使計(jì)數(shù)器0、2使用同一個(gè)1 MHz外部晶振，計(jì)數(shù)器2工作方式3，計(jì)數(shù)值固定為20，以產(chǎn)生50 kHz方波，該方波信號(hào)作為計(jì)數(shù)器1時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)值為頻率值，產(chǎn)生1～500 Hz頻率可調(diào)方波，計(jì)數(shù)器0工作在方式1，計(jì)數(shù)值為脈寬值，計(jì)數(shù)器1輸出的1～500 Hz信號(hào)作為門控，實(shí)現(xiàn)1～500 Hz，1～200μs的連續(xù)輸出。8254外圍電路如圖4所示。