基于PLC技术的大功率半导体激光治疗仪.pdf

旦 过盛墨日 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 1 0 4 1 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 1 2 量 麦旦 基于 P L C技术 的大功 率半导体激 光治疗仪 曹军胜 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所， 长春 1 3 0 0 3 3 摘要 介绍了一种 以小型 P L C为控 制核 心的大功率半导体激 光治 疗仪。该治 疗仪 采用单管 激光器 光纤耦 合技术 设计 了波 长为 8 0 8 ri m、 输出功率3 0 W 的激光器模块， 采用恒流充电技术设计了高效激光器驱动电路， 整机具有散热好、 低功耗和高可 靠性等优点。 关键词 激光治疗仪 ； P L C；光纤耦合 中图分 类号 T N 2 4 文献标 志码 A Hi g h- po we r s e m i c o n d uc t o r l a s e r t h e r a pe u t i c a p pa r a t u s ba s e d o n PLC t e c hn o l o g y C A0 J u n ． s h e n g C h a n g c h u n I n s t i t u t e o f O p t i c s ， F i n e M e c h a n i c s a n d P h y s i c s ， C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 3 3 ， C hi n a Ab s t r a c t A t y p e o f h ig h p o we r s e mi c o n d u c t o r la s e r t h e r a p e u t ic a p p a r a t u s，u s i n g PL C a s i t s c on t r o l l e r ，i s in t r o d u c e d． T h e l i g h t s o ur c e o f t h e t h er a p e u t i c a p p a r a t u s is a 3 0 W mo d u l e o f 8 0 8 n m，d e s i g n e d wit h f i b e r c o u p l i n g t e c h n o l o g y．An e ff i - c i e n t la s e r d r iv e r c i r c u i t i s d e s i g n e d u s i n g c o n s t a n t c u r r e n t c h a r g i n g t e c hn o l o g y ．Th e ma c h i n e h a s g o od h e a t d i s s ip a t io n， l o w p o wer c o n s u mp t io n，h i g h r eli a b i l it y，e t c ．． Ke y wor d sla s e r t h e r a p eu t ic a p p a r a t u s ；PL C；f i b e r c o u p l in g 图 2 图像 文件的传输的具体流程 4结论 经由上述工作 ， 本文简述 了动态链接库 ， 通信 函 数 S o c k e t ， P r o d a v e软件包 ， 西 门子 S 7 3 0 0 P L C的有关 内容 ， 讨论 了动态链接库 的使用方法 ， 不稳定网络下 C十 程序两端传送大文件包的一种方法， 通过 c 编写程序可以读写西门子 P L C内部的寄存器值， 实现 了对小车的远端 控制 和小车运行 中实时数 据的 3 6 EI C VO 1 ． 1 9 2 0 1 2 N0． 1 监测， 并通过小车远端传输回来的图像文件， 专业技术 人员可以分析高铁运行桥梁的安全性和稳固性。口 参考文献 [ 1 ]潘锦平， 施小英 ， 姚天方． 软件系统开发技术[ M] ． 成 都 电子科技大学出版社， 1 9 9 9 ． [ 2 ]孙鑫．V C深入详解 [ M] ．北京 电子工业出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ]西门子公司．P R O D AV E MP I ／ I E V 6 ． 0 Ma n u a l [ M] ． 德 国 西门子公司 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ]黄延延， 林跃， 于海滨， 等． 软 P L C技术研究及实现 [ J ] ．计算机工程， 2 0 0 4 ， 1 4 3 45 ， 5 1 ． [ 5 ]候俊杰．深入浅出 M F C[ M] ．武汉 华中科技大学出 版社 ， 2 0 0 1 ． [ 6 ]胡良龙 ， 胡志超， 高刚华 ， 等．基于 P L C的种子包衣 机 自动控制系统设计 与实现 [ J ] ．农业工程学报 ， 2 0 0 7 ， 8 1 8 2 0 ， 2 3 ． [ 7 ]马皓 ， 韩思亮．电力电子设备远程监控与故障诊断 系统设计 [ J ] ． 电力 系 统 自动化 ， 2 0 0 5 ， 2 3 3 3 5． 3 8 ． 作者简介 那贺 1 9 8 6 ． ， 男， 硕士研究生， 从事软件研究与开 发； 王孝良， 男， 副教授， 从事于 自动化技术。 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 - 2 2 欢迎光 临本刊 网站 h t t p ／ ／ w w w． e ic ． c o m． c n 仪器仪表用户 O 引言 半导体激光器因其具有体积小、 重量轻、 效率高、 成本低、 寿命长、 波长范围广、 输出功率稳定、 电源驱 动系统简单和易于光纤传输等优点， 不仅弥补了高能 C o 2激光不易光纤传输 、 操作不便 的缺点 ， 而且弥补 了灯泵浦固体激光器效率低、 散热复杂的缺点， 受到 国际上的广泛关注 ， 其临床应用范 围也越来越广 ， 几 乎覆盖 了所有 其它 类型激 光器 的应 用范 围 1 ] 。 目 前， 半导体激光医疗设备的市场占有份额也越来越 大 ， 将成为今后 的主流激光治疗设备 ， 具有十分广阔 的发展前景。 8 0 8 n m波段的激光具有水吸收较弱、 黑色素和血 红蛋 白吸收较强特点 ， 穿透组织深度适 中 透射深度 约 1 2 m m ， 具有 良好 的气化和凝固作用 ， 适用于富 含血管的组织 ， 可采用接触和非接触方式对组织进行 消融 、 切割、 气化和光凝等操作 。因此 ， 该波段激光治 疗设备的研究和开发引起 了国内外 的广泛关 注。本 文以皮 肤 激 光 焊接 为 主要 研 究 目标 研 制 了一 种 8 0 8 n m大功率半导体激光治疗仪， 同时兼顾通用性， 可广泛应用于耳鼻喉科、 血管外科 、 普外科 、 骨科 和 牙科等科室的疾病治疗 ， 具有体积小、 效率高、 散热好 和可靠性高等优点 。 1 系统设计 1 ． 1 总体方案 图 1是基于 P L C技术的大功率半导体激光治疗 仪的系统总体结构图。该系统 以欧姆龙小型 P L C控 制器 C J 1 M为控制核心 ， 包括光纤输出激光器模块及 其驱动恒流源 、 散热器 、 6 5 0 n m指示激 光驱动器 以及 N T 5 Z触摸屏、 串口打印机、 脚踏开关、 急停开关等人 机对话单元 。 图 1系统总体结构 图 1 ． 2 激光器模块 医疗用大功率半导体激光模块都是光纤耦合输 出模块， 实现的方法有两种 半导体激光线阵耦合和 半导体激光器单管光束耦合 。前者是对半导体激光 线阵 B A R条 进行光束整形后耦合进光纤 ， 缺点是 需要复杂、 昂贵的光束整形系统， 并且 B A R条中各发 光单元采用并联方式连接， 需要较大的驱动电流。半 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 口科研设计成果口 导体 激 光 器 单 管 光束 耦 合 法 相 对 而 言具 有 以下 优点 川 1 各个单管 之间采用串联方式进行连接 ， 驱动 电流小 ， 降低了对驱动电源的要求 ； 2 不需要 复杂 的光束整形系统 ， 只要对激光器 的快慢轴分别进行准直即可耦合进光纤 ； 3 寿命长 ， 可靠性好 ， 可到 1 0万小时以上 ； 4 系统散热简单， 可直接采用传导冷却方式。 因此 ， 本设备选用半导体激光器单管光束耦合模 块作为激光治疗 仪的光源。光源设计 功率为 3 0 W， 采用 6个 5 W 单 管激光器进行合束。各单管激光器 安放在阶梯形分布的散热块上 ， 分别利用非球面微柱 透镜和球面柱透镜对光束快轴和慢轴进行准直 ， 然后 分别通过两组柱面透镜组实现快慢轴方 向的聚焦 ， 从 而耦合进芯径为 2 0 0 1 x m、 数值孔径为 0 ． 2 2的光纤。 图 2是该光纤耦合激光器模块的特性曲线 ， 额定光功 率 3 0 W， 额定 电流 5 ． 1 7 A， 额定电压 1 1 ． 2 9 V。 柏 3 0 舍 静∞ I O 0 一 _／ ／ ／。 ／ ．／。 ／ 0 1 2 3 4 5 6 驱动电流 1 6 1 2 V 8 嘲 脚 4 0 图2光纤耦合模块 的特 性曲线 1 ． 3 恒流源模块 大功率激光器一般采用恒流驱动方式 ， 即采用 电 流源电路给激光器注人工作电流 ， 激光器 电压在一定 范围内自适应。常用的一种典型方法为“ 电压源 MO S F E T ” 方案如 图 3所示 。其 图 中 为控制 电压 ， 为取样 电阻， A为反馈 网络的电压放大倍数 ， 负载 电流为 ，V ／ A R ， 理想情况下 4、 尺 均为定值 ， 可见负载电流 ， 与控制电压 成正 比。 样 电阻 见 图 3 基 于“ 电压源 MOS F E T ” 结构 的电流源 本设备采用了一种更为高效简便的方法， 即采用 B a t Mo d充 电 模 块 的 驱 动 方 法 ，与 “电 压 源 MO S F E T ” 的设计方法相 比， 在效率 、 体积 、 功耗、 散热 等方 面均有 明显优 势。B a t M o d是 V I C O R公 司生产 El C V0 l 1 9 2 0 1 2 NO． 1 37 口科研设计成果口 的一种 电池充电模块 ， 外加很少常用元件就可设计成 体积小 、 重量轻 的充 电器。图 4是基于 B a t Mo d模块 的充电器示意图。图中， I N、一I N为直流电源输入 端 ， O u t 、一O u t 为输 出端， V T R I 与 I T R 分别 为充 电 电压 、 充电电流调整端 ， I 。 为电流监控 端 ， G A T E I N 信号用来控制模块 的导通与关 断， 高 电平 时模块导 通 ， G A T E O U T信号在多个模块并联以增大输出功率 时使用 。VT R I M 、 I _r R I M与 I M o N 均 以 一O u t 端 为基 准 ， G A T E I N信号则以 一I N为基准。下面主要介绍 V 删 、 1 T R I M 与 I M O N 三个引脚的功能。 ● n o I I t R - _ Ⅻm B ’ ‘ ⅫOb f I l ● - I N - Ou t ● 图 4基 于 B a t Mo d模块的充 电器示意 图 I T R I M 为电流调整端 ， 该引脚 1 5 V的输入电压与 充电器的输出电流零 到最大值线性对应 。V 为 电 压调整端 ， 给该引脚输入 0 2 ． 5 V电压 ， 可将模块输 出电压调整到额定 电压 的 0 ％ 一1 0 0 ％ 。I 。 为 电流 监控端 ， 该 脚输 出信 号可指 示 电流源 的输 出 电流 ， 其 1 5 V的输 出 电压 线性对应输 出电流 零到最 大 值。B a t M o d模块 的输 出电压 、 电流范 围很 宽 ， 只需 选择合适 的型号 即可设 计 出适 合多 种 电池 的充 电 器。B a t Mo d 模块按输 出电压 、 电流 的不 同分 为 以下 三种 1 1 2 V模块 输 出电流范围 01 4 ． 5 A， 输 出电 压范围6 ． 91 6 ． 5 V， 注意 06 ． 9 V超 出了该模块 的 安全 工作 范 围 如 图 5所 示 ， 以下 两种 模块 与之 类似 ； 2 2 4 V模块 输 出电流范围 07 ． 2 5 A， 输 出电 压 范 围 1 3 ． 8 3 3 V； 3 4 8 V模块 输 出电流范围 03 ． 6 A， 输出电压 范 围 2 7 ． 6 V一 6 6 V。 0 1 4 ．5 A 0 7 ．2 5 A 0 3 ．6 A 1 2 V B a tMo d 模块 2 4 V B I 1 0 d 模块4 8 V B B 洲 o d 模块 图 5 Ba t M0 d模块 的安 区操作条件 示意图 由于电池充 电模块 同样具有恒流源工作模式 ， 因 此只要输出电压电流范围满足激光器伏安特性 的要 求， 用其驱动半导体激光器是完全可能的。图5给出 了 B a t Mo d模块 的安 区操作条件 ， 设计时必须依据 图 3 8 EI C VO I ． 1 9 20 1 2 N0． 1 噩 麦旦 5 决定能否采用或采用哪一种 B a t M o d 模块。根据图 2给出的光纤耦合激光器模块 的特性曲线 ， 额定 电流 5 ． 1 7 A， 额定电压 1 1 ． 2 9 V， 对照图5所示的 B a t Mo d模 块的输 出特性 ， 1 2 V的 B a t Mo d模块可满足要求 。实 际选择的型号为 V I 一 2 6 1 ， 输人电压范 围为直流 2 0 0 4 0 0 V， 输出电流范围01 4 ． 5 A， 输 出电压范围 6 ． 9 1 6 ． 5 V， 输出功率 2 0 0 W。 1 ． 4 控制接 口设计 图 6所示为本设备控制接 口电路框图 ， 此时 B a t Mo d模块的工作状态相当于一个压控恒流源， 控制 电 压从 I T R I M 端输入 ， 负载电压 自适应。设置 电压调整端 V T R 。 应保证 B a t Mo d模块 的输 出电压大于激 光器的 额定电压， 这里采用 电阻分 压产生 2 ． 5 V输入 V m 端。由于 I 幅 。 端的输入电压为 1 5 V， 图 7所示 电路 将数字电位器 X 9 C 1 0 3产 生的的 04 V电压与分压 电路产生的 l V相加 ， 这样 ， 当模 拟开关 通断产生控 制脉冲信号时 ， I T m M 端的电压始终在 1 5 V之间。输 入电压 由 2 2 0 V交 流 电经 整 流 滤 波 后 提供 直 流 3 1 1 V 。G A T E I N控 制端 以 一I N为基 准， 控 制部分 以 一O u t 端为基准 通过光耦产生 G A T E I N信号来 实现模块的导通 与关断 如图 8所示 。为避免 P L C 控制器与信号调理电路直接 的互相干扰 ， P L C的 I ／ O 口与外部电路的接 口均采用了光耦 ， 如 图 9所示 以 数字电位器的 I N C控制信号为例 。 图 6 控制接 口电路框 图 图7 电流控制信号调理电路 图 8 B a t Mo d模块通断控制 电路 欢迎光临本千 U 网站 h t t p ／ ／ w w w． e ic ． c o m． c n 图 9 P L C控制器的 I ／ o 接口示意图 1 ． 5人机对话 本系统采用了可支持多厂家 P L C的通用可编程 终端 N T S Z触摸屏。相 比A R M嵌入式系统中的需要 自行开发的人机界 面 ， 这种用于 P L C人机对话 的触 摸屏编程极为方便、 可靠性高 ， 能大幅度缩短开发周 期。利用 N T S Z的便捷的开发平 台， 本治疗仪设计 了 丰富的人机界面， 工作方式包括连续、 单脉冲、 重复脉 冲等 ， 激光功率 03 0 W 可调 ， 脉冲宽度 0 ． 1 s一9 9 9 s 可调， 脉冲间隔O ． 1 s 一 9 9 ％ 可调。除此之外， 系统功 能还包括指示光调节、 打印输出、 散热控制、 脚踏开关 单步执行 、 急停等。 2 结束语 本 系统设计采用 了单管激光器光束耦合技术 ， 激 光器模块散热简单、 输出功率稳定； 采用了B a t M o d 充 电模块实现了激光器模块 的恒流驱动 ， 体积小且转换 效率高； 事实上， 本治疗仪没有配备水冷或 T E C制 冷 ， 仅采用了带有热管的风冷散热装置即可在额定功 率下长时间运行。另外， P L C控制器 C J 1 M以及可编 程终端 N T 5 Z的运用不仅缩短了开发周期 ， 而且其可 靠性和长期稳定性远远优于单片机 、 A R M等嵌入式 控制系统。 研制本治疗仪的主要 目的是将 8 0 8 n m半导体激 光应用于皮肤组 织焊接 ， 研究 其焊接效果 与作 用机 理 ， 优化激光参数 ， 为进一步研究和今后 的临床应用 奠定基础。目前本设备 已成功用于大鼠皮肤组织焊 接试验 ， 通过眼观察 、 病理学检测 以及张力测试等方 法研究焊接效果， 并与传统的缝线手术进行对比。本 治疗仪具有通用性， 只要根据不同需要更换适当的医 用光纤即可应用于特定疾病 的治疗。口 旦 退让 墨旦 参考文献 [ 1 ]邹文栋， 魏森泉， 陈敏， 等．一种大功率半导体激光 治疗仪的设计[ J ] ．应用激光， 2 0 0 2 ， 2 2 4 4 1 5 - 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2 2 天津津伯公司再次当选为中仪协 自仪分会执行器工作委员会常务理事单位 日 前， 中国仪器仪表协会工业 自动化仪表分会第五届执行器工作委员会年会暨五届一次理事会于2 0 1 1 年 1 1 月2 2- 2 4日 在上海召开。与会期间全体会员以无记名投票方式选举第五届理事会， 天津津伯仪表技术有 限公司被选举为第五届中仪协自仪分会执行器工作委员会常务理事单位。 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 E I C V O I ． 1 9 2 0 1 2 N o ． 1 3 9