文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.008
中文引用格式： 閆文超，鄒超，張志偉，等. 高強度聚焦超聲治療的水處理系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2016，42(1)：34-36，43.
英文引用格式： Yan Wenchao，Zou Chao，Zhang Zhiwei，et al. The design of water treatment system of high-intensity focused ultrasound[J].Application of Electronic Technique，2016，42(1)：34-36，43.
0 引言
高強度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）治療中，由于空氣和人體組織聲阻抗具有較大的差異，因此需要通過介質水耦合到靶向組織以實現(xiàn)超聲波的有效傳播。同時為了避免不可控的空化效應以及水中雜質對超聲波的反射，必須將水中的氣泡、顆粒雜質以及離子去除。國家標準YY0592-2005中要求HIFU用水含氧量<4 mg/L，IEC62127標準中要求超聲用水電導率<=5 μS/cm。此外，HIFU治療中介質水還起到散熱降溫作用。現(xiàn)有的HIFU水處理設備多采用真空泵脫氣等方法，其體積較大，出水效率低，且不能定量地控制治療水箱中的水量，不能滿足快速循環(huán)用水的制備需求[1]。本文設計的高強度聚焦超聲治療水處理系統(tǒng)采用循環(huán)脫氣方式，對水路壓力、流速實時監(jiān)測，實現(xiàn)了聚焦超聲用水的脫氣、去離子和流量的控制。整個循環(huán)水路各個部分有電磁閥控制，并具有良好的密封性，保證水質量達到預期的效果，系統(tǒng)各部分狀態(tài)通過ARM實時傳輸至上位機，可達到實時監(jiān)控的效果。
水處理系統(tǒng)分為3個部分：水凈化處理部分、水脫氣處理部分和流量控制部分。總體設計如圖1所示。水凈化處理部分主要去除水中的顆粒雜質、氯氣、細菌以及離子等。水脫氣部分用于去除水中溶解的氧氣等氣體。流量控制選用Microchip公司的單片機PIC18f46k22為核心控制芯片，通過編寫控制系統(tǒng)主程序，實現(xiàn)觸摸串口屏控制和動態(tài)檢測水量、水壓和制水速度等，同時在Qt軟件環(huán)境下編寫了上位機界面，對單片機實現(xiàn)了多種方法控制，使操作變得靈活。
1 水處理系統(tǒng)水路連接設計
水凈化處理部分主要去除水中的顆粒雜質、氯氣、細菌以及離子等。如圖1所示，預置濾芯1-5分別裝有1 μm聚丙烯(polypropylene，pp)棉、顆粒活性炭、結型活性炭、軟水樹脂、1 μm pp棉等預過濾處理裝置。pp棉用于濾除顆粒雜質，活性炭用于濾除自來水中的氯氣，軟水樹脂用于去除水中的鈣鎂等陽離子，防止結垢。預制過濾部分主要功能是保護水脫氣RO膜。混合離子交換柱裝有陽離子和陰離子交換樹脂，進一步去除水中的離子。后置活性炭過濾濾芯進一步過濾水中雜質，更加徹底地吸附水中的異色、異味，同時抑制水中細菌再生。
水脫氣部分用于去除水中溶解的氧氣等氣體。真空泵用于抽除脫氣膜中的氣體，提供脫氣膜工作所需的真空環(huán)境。脫氣膜裝置用于增大氣液接觸的表面積，提高脫氣效率。壓力桶用于緩存制備的HIFU用水，可以提供一定的壓力以完成向聚焦超聲水箱的進水操作，同時壓力桶的結構可確保所制備的水與空氣隔離。
流量控制部分用于控制聚焦超聲水箱中入水和出水的體積和速度，通過流量計計算出入水體積。
2 系統(tǒng)硬件設計
硬件控制系統(tǒng)主要由上位機PC監(jiān)控部分、PIC18f46k22主控板部分組成[2-3]。主控系統(tǒng)以PIC18f46k22控制器為核心，外圍硬件連接時鐘計時電路、帶光電隔離電磁閥驅動電路、固態(tài)繼電器驅動電路、流量計、真空壓力傳感器、RO膜壓力傳感器、高壓開關、觸摸串口屏和電源模塊。以PIC18f46k22為主控板，通過RS232串口與7寸觸摸串口屏連接，觸摸屏按固定的幀格式動態(tài)地與單片機信息交互；同時擴展另一路RS232串口通過ARM與上位機PC連接，上位機PC基于Qt軟件編寫操控界面，通過ARM與單片機信息交互。該系統(tǒng)既可以通過觸摸屏現(xiàn)場操控水處理系統(tǒng)，又可通過PC遠程操控，系統(tǒng)硬件設計如圖2所示。
2.1 電源控制電路
單片機采用直流24 V模塊電源供電，需要將24 V轉換為12 V直流供觸摸串口屏，5 V直流供單片機。電源轉換電路采用TPS5410芯片和ML2940CT芯片，分別轉換為直流12 V和5 V。
2.2 電磁閥驅動電路
采用光電隔離芯片LTP521、MOS管STF19NF20開關，能安全穩(wěn)定地提供直流電壓、打開和關閉電磁閥，且開關切換過程由于電路具有光電隔離特性，使得電路系統(tǒng)穩(wěn)定地切換。
2.3 固態(tài)繼電器驅動電路
固態(tài)繼電器和增壓泵、脫氣泵相連，在常態(tài)下，固態(tài)繼電器處于關閉狀態(tài)，當打開驅動增壓泵固態(tài)繼電器時，外接24 V模塊電源提供24 V電壓驅動增壓泵工作。打開驅動脫氣泵固態(tài)繼電器時，外接220 V交流電直接供給脫氣泵工作。
2.4 時鐘計時電路
時鐘芯片通過IIC與單片機連接，時鐘線IIC_SCL、時鐘應答線IIC_SDA，通過鋰電池給時鐘芯片供電。時鐘電路能校準時鐘，并且PIC控制電路實現(xiàn)了實時檢測電池電壓功能。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件采用模塊化的設計，將各個功能進行分解，便于移植。水處理系統(tǒng)的軟件設計主要由上位機基于Qt軟件操控界面設計和主控板PIC控制部分組成[4-6]。在控制板的主程序中，將各個功能模塊化，其中包括時鐘計時模塊、中斷模塊、流量控制模塊、觸摸串口屏模塊和遠程PC操控界面模塊。在主程序開始時，軟件配置PIC單片機基本設置，包括系統(tǒng)時鐘、看門狗分頻、電壓低壓檢測參考標準電壓、關閉寫保護、打開在線調試模式功能等。初始化過程包括系統(tǒng)時鐘、定時器、IO端口、(uart)串口和端口中斷的初始化，并使能中斷優(yōu)先級，時鐘芯片初始化并獲得時間。緊接著單片機向串口屏發(fā)送固定格式的指令，使觸摸屏進入主控界面。接下來系統(tǒng)進入循環(huán)，通過掃描各個中斷標志位的變化，實時響應串口屏、上位機命令和各類傳感器的中斷請求，顯示水處理設備狀態(tài)，并將信息上傳到串口觸摸屏，動態(tài)交互。水處理系統(tǒng)通過定時器配合流量計動態(tài)顯示出入、循環(huán)水量，既可以定量控制出入水量，又可連續(xù)出入水[5-6]。各個傳感器實時顯示水路的狀態(tài)，當出現(xiàn)異常時，控制系統(tǒng)自動處理異常，并實時動態(tài)地更新到觸摸串口屏和上位機操控系統(tǒng)[7]。串口屏或者上位機可以發(fā)送消息來控制進出水電磁閥的打開、關斷，電磁閥和傳感器的狀態(tài)也會實時更新到觸摸串口屏和上位機操控系統(tǒng)。PIC控制程序如圖3。
通過配置串口觸摸屏的配置文件和單片機動態(tài)信息交互，系統(tǒng)開機初始化之后串口屏主控界面如圖4所示。
4 上位機控制界面設計
水處理系統(tǒng)主控板與上位機通過ARM相連。主控板通過RS232接口與ARM相連，同時ARM與上位機通過以太網接口相連。上位機控制界面是由軟件Qt編寫，基于TCP/IP的socket編程，依據觸摸屏與主控板的交互模式和現(xiàn)有的數(shù)據幀格式，自定義以太網、串口解析協(xié)議。上位機軟件根據現(xiàn)有的框架進行合理科學的布局，形成一個美觀的儀表界面。上位機實現(xiàn)和觸摸屏類似的功能，可以發(fā)出控制命令給單片機主控板，主控板將水處理系統(tǒng)實時工作狀態(tài)反饋給上位機，實現(xiàn)水處理系統(tǒng)的遠程操控和狀態(tài)監(jiān)測[8]。上位機界面如圖5所示。
5 測試
水處理系統(tǒng)出水的含氧量和電導率是鑒定是否滿足HIFU用水的兩個重要指標。
水處理系統(tǒng)開機5分鐘之后采樣1.5 L水，送至深圳市計量質量檢測研究院進行檢驗。含氧量測試依據HJ 506-2009標準，電導率測試依據GB/T 6682-2008標準，測試結果如圖6所示，系統(tǒng)出水的含氧量是3.3 mg/L，電導率為0.7 μS/cm，滿足HIFU用水的指標。
6 結論
本文介紹了水凈化和脫氣設備的水路連接設計，基于PIC18f46k22控制主板進行硬件和軟件設計，基于Qt上位機界面設計，并配合觸摸串口屏具體說明了工作流程。該設備體積小，操作簡單，出水速度快，實現(xiàn)了高強度聚焦超聲治療系統(tǒng)水處理設備的自動化、小型化和智能化。經測試該設備制備水的含氧量、電導率指標滿足HIFU用水的條件，高強度聚焦超聲治療的水處理設備在聚焦超聲治療領域將得到更廣泛的應用。
參考文獻
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